Operationsforstærkere
Transcription
Operationsforstærkere
OP-amps Redigeret 01/12-2015 Kompendium / noter til: Operationsforstærkere Links til afsnit: Generelt, Splitsupply, Impedanskonverter, Delta_Ui_Fejl, Noninverting_Amp, Inverting_Amp, Summationsforstærker, Single_Supply, Strøm gennem kondensator, Kondensators_modstand, Selektiv forstærker, Bode Plot, Båndpas forstærker., Fasedrejning, Fasedrejning Højpasled, Differensforstærker, OPAMP-Oscillator, Thevenin, Pulsbredde-modulation, Trekant Firkant Osc. Opamp som Komparator, Komparator med Hysterese, Diverse applikationer, Instrumentation Amplifier, Fejl i Opamps, Modkoblingsteori, Skitserne og opgaverne i kompendiet er beregnet på simulering med ORCAD. Bruges LTSpice til simulering, skal der muligvis ændres noget på kredsløbene og de anvendte signal-generatorer mm. Af: Valle Thorø Side 1 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Generelt om OPAMP’s: Operationsforstærkere eller kort ” op-amps ” er små integrerede kredse, der er opbygget til at forstærke analoge signaler. De er opbygget af et stort antal transistorer. Der er 2 indgange, og 1 udgang. 3 + 2 - 1 4 Normalt tegnes ikke power med i diagrammer. På viste type, LM358, er det hhv. plus på ben 8, og nul eller minus på ben 4. De vil blot forstyrre, men de skal selvfølgelig være forbundet korrekt i et kredsløb. 8 Diagram-symbolet er vist i følgende tegning. LM358 Forsyningsspændingen til operationsforstærkere kan være single supply eller split-supply. Single-supply er plus og nul, og split supply er både positiv, nul og negativ spænding symmetrisk omkring nul. Split supply er nødvendig, hvis et signal som dette skal forstærkes. Split supply 12Vdc Eksempler på hvordan man laver split-supply. 12Vdc Vplus V1 Nul V2 Vminus Billede: http://edt.uow.edu.au/ecte101/lab-support/dc-ac-sources/index-power-supply.html Af: Valle Thorø Side 2 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Med split-supply opnås, at et signal, der skal forstærkes, kan være symmetrisk omkring nul. Ved single supply, skal der normalt arbejdes med signal omkring halv forsyningsspænding. Den Op-amp, vi bruger mest, LM358, kan arbejde fra +/– 5 til +/– 15 Volt. Dvs. at et signal, der ønskes forstærket, kan ligge omkring 0 Volt. Men den kan også arbejde med single supply, altså med Plus og Nul, fx plus 12 eller plus 15 Volt og nul. Men den kan tåle spænding helt op til 30 Volt. For andre typer operationsforstærkere, især nyere typer, er tendensen, at der kun anvendes single supply, og fx kun 5 Volt og nul. Hvis et OPAMP-kredsløb er opbygget med Split Supply, kan eller skal signalet svinge omkring nul. Plus 1,5 Volt 1,5 Volt Nul Split supply kan laves med to batterier. Her vist med 1,5 Volts batterier. Plus på et batteri betyder, at spændingen ( elektrontrykket ) er 1,5 Volt højere end i den anden ende. Men det er lige så korrekt at sige, at spændingen på den ende, vi kalder ” minus ”, er 1,5 Volt lavere end den anden ende. I forbindelsen vist her, er den midterste ledning udnævnt til at være nul. Heraf følger, at der er plus 1,5 Volt foroven, og minus 1,5 volt for neden. 1,5 Volt Minus 1,5 Volt I stedet for at anvende batterier, kan man opbygge Splitsupply på vore Powersupply. Split Supply fra strømforsyningen Opbygning af split supply: Spændingerne på de to spændingsudgange på vore B&O Powersupply kan justeres hver for sig. Af: Valle Thorø Side 3 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 HTX-Strømforsyningerne er født med Split Supply. Hvis viseren viser 12 Volt, er der +12 Volt på den røde terminal, og minus 12 på den sorte. Dvs. 24 Volt mellem den røde og sorte. Signalindgange: + De to indgange kaldes hhv. + og -. ( plus og minus-indgangen. ). De må ikke forveksles med powersupply !! OUT - OPAMP Grundlæggende er det spændingsforskellen, dvs. det signal, der er mellem de to indgangsterminaler, Delta Uin, der forstærkes. Forstærkningen af Delta Uin i operationsforstærkeren er typisk større end 106 gange. Jo større jo bedre! – Det ser vi på senere! Indgangen mærket + kaldes også for den ikke inverterende indgang. Og den anden indgang, mærket med et ”-”, kaldes for den inverterende indgang! Dette refererer til, at hvis et signal på + indgangen stiger, vil udgangen gå i samme retning, altså stige. Er det spændingen på ”minus” indgangen der stiger, vil udgangen gå nedad, altså modsat, eller inverteret indgangssignalet. Man kan forestille sig, at der inde i kredsen er en modstand mellem de to indgangsterminaler, og at det er den spænding, der er over denne modstand, der forstærkes. Spændingen på den ene indgangsterminal kan godt være 3 Volt, og den anden 2,999 Volt. Altså en forskel på 1 mV, og det er denne forskel med fortegn, der forstærkes med operationsforstærkerens medfødte forstærkning, ( fx 106 gange. ) Er + indgangens spænding højest vil udgangen gå opad, er minus indgangens spænding størst, vil udgangen gå nedad! + OUT - OPAMP OUT + OPAMP Non inverting og inverting opamp. Af: Valle Thorø Side 4 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Udgangsspændingen vil dog ikke blive 1 mV gange 1.000.000 = 1000Volt. Udgangsspændingen kan selvfølgelig ikke overskride forsyningsspændingen, hverken i positiv eller negativ retning, men spændingen vil blive så stor, som den kan på grund af spændingstab i udgangstransistorerne. Yderligere gælder for ældre typer, at udgangsspændingen kun kan komme i nærheden af forsyningsspændingen. Der mangler ca. 1,5 til 2 Volt. Nyere typer kan dog styre udgangsspændingen helt ud til forsyningsspændingerne, såkaldt ” Rail to Rail ”. For at udgangstransistorerne kan lede, skal de have basisstrøm. Og der er mindst 0,7 Volt spændingsfald fra Basis til Emitter Her ses 2 basis-emitter-strækninger. Dvs. udgangen ikke kan komme helt op til den positive rail. ( diagram for LM2902 ) Skematisk diagram af forstærkerens indre: Følgende diagram viser det indre af en operationsforstærker, - ret forenklet. Skematisk opbygning af en Op-amp. Ucc Er de to indgangsspændinger ens, er spændingsfaldene over R1 og R2 ens. – Er der forskel, vil Collektor-spændingen på Q1 eller Q2 være større end den anden. Udgangsspændingen er styret af Q2’s collektor ! R1 R2 Q3 D1 Q1 Modstanden R3 er normalt bygget af en strømgenerator, dvs. at strømmen igennem den altid er samme størrelse. Derfor, hvis strømmen i Q1 stiger,vil strømmen i Q2 falde og omvendt. Q2 Uin + Uout D2 Uin - Q4 R3 R4 0 Af: Valle Thorø Side 5 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Her et andet eksempel. http://www.williamson-labs.com/480_opam.htm Citat: A component level diagram of the common 741 op-amp. Dotted lines outline: Current mirrors (red); Differential amplifier (blue); Class A gain stage (magenta); Voltage level shifter (green); Output stage (cyan). Fra: http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier Denne skematiske fremstilling viser operationsforstærkerens indre. + Uin Rout Delta Uin Uout er delta Uin gange med den medfødte forstærkning. Rin Uout de lta Uin * A ol 10 E6 Ohm 0 Dvs. at 1 uV på indgangen vil blive til ca. 1 volt på udgangen! 0 Dvs. at den medfødte forstærkning er meget stor. Af: Valle Thorø Side 6 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Fx 106 eller helst større, fx 2x106 gange. Man kan ikke sige noget om en nøjagtig forstærkning. Der er stor spredning!! Men jo større forstærkning jo bedre! Man kan nemlig ved at montere nogle få modstande vælge den forstærkning, man ønsker. Herom senere. 7 Diagramsymbol: 3 + 2 3 - Diagramsymboler. Amerikansk og europæisk. A 6 + 1 Det trekantede diagramsymbol er en ældre amerikansk type. Det er den, jeg bruger. Den firkantede er ”europæisk standard”. + LM 324 4 2 U2 Puls-shaper: Forbindes operationsforstærkeren som vist herunder, vil blot en lille positiv spænding føre til, at udgangen vil gå op, så højt den kan. Udgangen går i mætning lidt under den positive forsyningsspænding. Især gælder for ældre typer, at der vil være et spændingsgab, fx 1,5 Volt, som udgangen ikke kan komme tættere på Plus. Tilsvarende gælder for den negative spænding, eller 0 ! 16V U1 Uin + OPA MP 10V OUT Uout 0V 0 Det ses på grafen, at udgangen ikke kan komme helt op til Plus forsyning, og heller ikke helt ned til minus. -10V -16V 0s V(UIN) 0.5ms V(UOUT) 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms Time Men der findes efterhånden såkaldte ”Rail to Rail” opamps, hvis udgang faktisk kan svinge fra positiv supply til negativ supply. Ovenstående kredsløb kunne som vist bruges til at digitalisere et analogt signal. Skal der digitaliseres, eller kompareres, sammenlignes i forhold til en anden spænding kunne flg. kredsløb bruges! Af: Valle Thorø Side 7 af 112 3.0ms OP-amps Redigeret 01/12-2015 Ucc Et kredsløb hvor en op-amp er brugt som inverterende komparator. U1 Uin + OPA MP R1 OUT Uout - 1k 0 Grundlæggende signal-forstærker funktion: Det som Operationsforstærkere primært er beregnet til, er at forstærke signaler. Først betragtes denne kobling: Udgangen er ført tilbage til den inverterende indgang. Uin + OUT Påtrykkes Uin en spænding på fx 3 Volt, er + indgangen jo steget, og udgangen vil derfor også stige. - Uout OPAMP Udgangen er forskellen mellem indgangsterminalernes spænding gange ca. 106. Når udgangen stiger, bliver forskellen ΔUin jo mindre, og det indses, at udgangen vil stige indtil spændingsforskellen ΔUin gange rå-forstærkningen, dvs. den medfødte forstærkning, netop er lig Uout. Råforstærkning er forstærkerens medfødte forstærkning. Den kaldes også for ”Open loop”forstærkning, Aol. Der kan opstilles ligninger for dette. ( Se mere udførligt herom i afsnittet ”Modkoblingsteori” ). Her er lavet en simulering med en ideel opamp. Det er blot en matematisk model ! Er op-amp’ens medfødte forstærkning stor, bliver ΔUi lille i ovenstående kredsløb. Fx ca. 1 μVolt. Det er altså en meget lille forskel, der bliver mellem indgangene. Den er så lille, at vi godt kan opfatte den som = 0. Blot vi ved, vi begår en ”meget lille” fejl. Af: Valle Thorø Side 8 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Der kan nu formuleres følgende ”lov”: En operationsforstærker, koblet som forstærker, vil sætte en sådan spænding på sin udgang, at ΔUi bliver = 0 I ovenstående kredsløb vil Uout være lig Uin. Dvs. forstærkningen er lig 1. Kredsløbet kaldes også for en ” Spændingsfølger ”. Operationsforstærkerens medførte forstærkning er nu reduceret til 1 gang. Udgangen er ført tilbage til indgangen. Når indgangssignalet stiger, vil udgangen også stige. Og der føres et signal tilbage til minus-indgangen, som modvirker den oprindelige ændring af ΔUi mellem indgangene. Man kalder dette modkobling. Udgangen er ført tilbage til den inverterende indgang, sløjfen er lukket, ” Closed Loop” Umiddelbart kunne man tro, at en 1 gangs forstærker umiddelbart kunne erstattes af blot en ledning, når udgangsspændingen er lig indgangen. Men kredsløbet bruges ofte, idet indgangens indgangsmodstanden Ri er meget stor, fx 1 Mohm, og derfor ikke belaster signalkilden på indgangen ret meget. Samtidig kan der trækkes 10 til 15 mA på udgangen. Ro er relativ lav. Koblingen kaldes også for en ”Impedans-omsætter”. ( Med impedans menes modstand, der også kan indbefatte kondensatorer. ) Brug ORCAD til at simulere følgende kredsløb: Uin 3 12Vdc + V V5 0 VOFF = 0 VAMPL = 1 FREQ = 1000 - 11 12Vdc Minus LM324 U2A OUT 2 V3 Orcad simulation af et OPAMP kredsløb. Plus V- V2 V+ 4 Plus 1 Uout V Minus Grafen er vist nedenunder. Uout og Uin er sammenfaldende 0 Vsin Af: Valle Thorø Side 9 af 112 OP-amps Grafen ser fx således ud: Redigeret 01/12-2015 1.0V Prøv også med en DC 0V -1.0V 1.0ms V(UOUT) 0s V(UIN) 3.0ms 2.0ms 4.0ms 5.0ms Time Undersøgelse af den lille fejl i Delta Uin Nu betragtes igen spændings-følgerkredsløbet. Udgangsspændingen må jo være en anelse mindre end indgangsspændingen, ellers ville der ikke være en delta Uin at forstærke, og 0 gange 106 er stadig nul. U1 Uin + OPA MP OUT Delta Ui Uout - Der kan opstilles følgende ligninger: og Uout Ui AOL (1) Ui Uin Uout (2) Forstærkningen må være Uout / Uin Uout AOL (3) Uout Uin Uout AOL (4) For (1) isoleres delta Ui, og der findes at Ui Dette indsættes i (2). Ordnes dette fås: Uout Af: Valle Thorø Uout Uin AOL (5) Side 10 af 112 OP-amps eller Redigeret 01/12-2015 hvis Uout sættes udenfor en parentes: 1 Uout 1 Uin AOL Uout Og herefter fås: (6) Uin 1 1 AOL Altså, Jo større AOL, jo tættere kommer Uout på Uin! Prøve: For at afprøve om det er bedst at den medfødte forstærkning er så stor som muligt, sættes Aol = uendelig: 1 0 AOL AOL U Out U In AOL Altså, jo større rå-forstærkning, jo tættere komme Uout på Uin. Og jo mindre fejl har man ”gjort” med ”loven for operationsforstærkere”. Ikke Inverterende kredsløb Nu betragtes et ikke inverterende kredsløb: Igen er Uin = 3 Volt. ΔUi er lig 0. Dvs, at der i knudepunktet mellem R1 og R2 også kan måles 3 Volt. Uin = 3 V + Delta Ui = 0 OUT Uout = 6 V - R1 = Uin R2 0 Er modstandene ens, må der være 6 Volt på udgangen. Forstærkningen er = 2. Uout = 2 gange Uin. Man siger også, at overføringsfunktionen er 2. Overføringsfunktionen er Uout / Uin, altså det, et indgangssignal ganges med af kredsløbet før det kommer over til udgangen. Uanset størrelsen på de to modstande, vil det tilbageførte signal være lig indgangsspændingen. Det er altså simple modstande, der afgør den samlede udnyttede forstærkning ud af de ca. 106 gange. Af: Valle Thorø Side 11 af 112 OP-amps Uin = 3 V Er modstandene ikke ens, vil forstærkningen ikke være 2. Redigeret 01/12-2015 + Delta Ui = 0 OUT Uout = 6 V - R1 = Uin For at udlede overføringsfunktionen, opskrives ligninger: Ir12 Ir2 R2 0 U in R2 Gennem R2 løber en strøm: IR2 Fra Uout løber en strøm: I R12 U out R1 R2 Da der er en stor indgangsmodstand i indgangsterminalerne, løber der ingen strøm tilbage og ind i minus-indgangen. Altså må IR2 være den samme som IR12. (1) må være lig (2). U out U in R1 R2 R2 Der kan herefter skrives: Omformes dette, fås et udtryk for Uout / Uin, som er overføringsfunktionen. Normalt angives denne blot med symbolet A` [ A-mærke ] U out R R2 A` 1 U in R2 Divideres med R2 fås: A` 1 R1 R2 Den mindste forstærkning med denne kobling er altså = 1. Dette fås hvis R1 er nul, eller R2 er uendelig stor. Simuleres nu med ORCAD / LT-Spice, fås: Af: Valle Thorø Side 12 af 112 OP-amps 3 + V U2A OUT 2 V3 V5 - VOFF = 0 VAMPL = 1 FREQ = 1000 0 11 12Vdc V+ Uin LM324 1 Uout V- V2 12Vdc Kredsløbet og nedenunder ORCAD graferne. Plus 4 Plus Redigeret 01/12-2015 V Minus R1 1k Minus 0 Vsin R2 1k 0 2.0V 0V -2.0V 0s V(UIN) 1.0ms V(UOUT) 2.0ms 3.0ms 4.0ms 5.0ms Time Udregning af eksakt overføringsfunktion: Nu betragtes følgende kredsløb: Ugen Der kan opskrives følgende ligninger: + Ugen - Uf U1 - Uout OUT OPA MP R1 1k Uf = Ufe ed ba ck R2 1k U f U out R2 R1 R 2 R2 kaldes nu R1 R2 Opampens medfødte forstærkning kaldes Aol, for A-Open loop: Det der sendes tilbage = Det haves også, at U out Aol U gen U f 0 Af: Valle Thorø Side 13 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Altså kan opstilles: Uout Aol Ugen Uout Uout Aol Ugen Aol Uout Uout samles på venstre side: Uout Aol Uout Aol Ugen Uout 1 Aol Aol Ugen og endelig fås grundformlen for modkobling: Uout Aol A' Ugen 1 Aol 1 Aol kaldes Modkoblingsgraden M. M 1 Aol . M er det antal gange, råforstærkningen Aol bliver gjort mindre. M er en vigtig størrelse, idet den bestemmer ”alt” om virkningen af modkoblingen. Hvis Aol 1 findes igen: Uout Aol 1 R1 R 2 R1 . 1 Uin Aol R2 R2 Altså, hvis Aol 1 er ligningen for forstærkningen god nok. Opgave: Uin Undersøg forstærkningen ved forskellige stillinger af potmeteret i viste kredsløb. Potmeteret er på 47 kOhm. Hvad er A’ hvis potentiometeret er i top, i midten, og helt nede i bund? + OUT - Uout OPAMP 0 Orcad øvelse: Ikke inverterende operationsforstærker-kobling simuleres i ORCAD. Komponenten /Analog/opamp er en ideel – OPAMP. Af: Valle Thorø Side 14 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Undersøg, hvordan den ”følger med” op til fx 1 MegaHz. Prøv så med LM324, der er den opamp, der kommer tættest på vores LM358. Inverterende kobling: R1 En anden af de grundlæggende koblinger er følgende: Uin R2 Uout OUT + 0 Signalet sendes gennem en modstand ind på minus-indgangen. Dvs. at spændingen her vil stige. Dette får udgangsspændingen til at falde, da det jo er den inverterende indgang, der stiger. Udgangen falder lige nøjagtig så meget, at den holder spændingen på minusindgangen nede på samme spænding som plus-indgangen. Altså holder delta Ui = 0. Er der 0 Volt på Uin +, vil der følgelig også 0 volt, eller ”tilsyneladende stel” på minusindgangen. Det er kun tilsyneladende, da knudepunktet jo ikke kan bruges som stel for andre komponenter. Tilsyneladende stel kaldes også for ” Virtuel stel ”. Påtrykkes nu en indgangsspænding, Uin, på fx 3 Volt, vil der altså gå en strøm mod højre mod 0 Volt. I R1 R1 R2 Uin 0 U1 I R2 OUT Uout + OPAMP 0 Strømmen gennem R2 må være I R2 Uin R2 Strømmen går ikke ind i op-amp’en. Der er der jo stor indgangsmodstand. Så strømmen må gå op gennem R1. Spændingen før R1 er på nul Volt, så derfor må spændingen efter R1 være negativ. Der kan opskrives: I R1 Af: Valle Thorø 0 Uout . R1 Side 15 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Men IR1 må være lig IR2, så derfor: 0 Uout Uin R1 R2 Dette ordnes, så der fås et udtryk for Uout/Uin: Uout R1 A' Uin R2 Altså er forstærker-formlen for en inverterende kobling A' R1 R2 Variabel forstærkning: Ved at gøre R1 variabel, kan der opnås variabel forstærkning. ORCAD-simulering af Inverterende forstærkerkobling: R2 Her er vist et kredsløb og tilhørende graf for indgangssignal og udgangssignal. 5k R1 - OPAMP 1k OUT + U1 V V1 Uout V VOFF = 0 VAMPL = 1 FREQ = 1000 AC = 0 0 5.0V Grafen ser således ud! 0V -5.0V 0s 0.5ms 1.0ms V(V1:+) V(Uout) 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0ms Time Af: Valle Thorø Side 16 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 OPAMP Øvelse: Opbyg nedenstående kredsløb, og undersøg hvordan udgangsspændingen opfører sig, hvis forstærkningen er så stor, at Uout burde være højere end forsyningsspændingen. R2 15K 11 Minus V2 12Vdc Uin 2 V V 0 Minus U2A V5 V OUT VOFF = 0 VAMPL = 1 FREQ = 1000 + 4 12Vdc - 1k 3 V3 LM324 V- R1 V+ Plus 1 Uout V Plus 0 0 Vsin Af: Valle Thorø Side 17 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 20V 0V -20V 0s V(UIN) 1.0ms V(UOUT) 2.0ms 3.0ms V(V3:-) V(V2:+) Time 4.0ms 5.0ms Eksakt formel for overføringsfunktion for inverterende forstærkerkobling: For følgende kredsløb, kan der opstilles ligninger: Knudepunktet mellem R1 og R2 må være en spændingsdeling mellem Ugen og Uout. R1 R2 U3 Ugen Ui Ugen Uout 1k OUT Delta Ui + 0 R1 Uout R1 R2 Uout Uout Ui Aol OPA MP Kaldes R1 for X kan disse omskrives til: R1 R 2 Uout X Aol Ugen 1 Aol X 1 der igen bliver til R1 Aol Uout R1 R 2 R2 Uin 1 Aol R1 R 2 Hvis: Aol R2 1 , kan ’1-tallet fjernes, og det fører til: R1 R2 R1 Uout R1 R1 R 2 R2 Uin R2 R1 R 2 Af: Valle Thorø Side 18 af 112 OP-amps Altså, hvis: Aol Redigeret 01/12-2015 R2 1 , passer vores ligning for overføringsfunktionen. R1 R2 Variabel forstærkning, Variabel gain. Rpot Hvad er A’ max, A’ min, og A’ med potentiometeret i midterposition?? R2 10 0k U1 Ugen 1k Delta Ui = 0 OUT Uout + 0 Af: Valle Thorø OPA MP Side 19 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Forskellige kredsløbseksempler: Her følger et antal forskellige kredsløbseksempler. Inverterende Summationskobling: Strømmene fra Uin1 og Uin2 går hen til knudepunktet ved den inverterende indgang. Og summen af strømmene herfra går videre op gennem R1. Uout er altså afhængig af summen af strømmene, og spændingen Uout må følgelig være et udtryk for Uin1 + Uin2. R1 R2 Uin 1 U1 Uin 2 R3 OUT Uout + OPAMP 0 R1 R1 U Out Uin1 Uin2 R2 R3 Eller skrevet på en anden måde: U Out i 1 Ii R1 n Kredsløbet kan udvides med flere indgangssignaler! En graf over ovenstående summationsforstærkers udgangssignal kunne se således ud: R3 R2 VOFF = 0 VAMPL = 5 FREQ = 1k - R1 Uin2 V2 VOFF = 0 VAMPL = 1 FREQ = 10k Uout OUT 10k V + V OPAMP 0 Af: Valle Thorø U1 10k V V1 Først kredsløbet, og herunder graferne. 10k Uin1 0 0 Side 20 af 112 OP-amps Bemærk, at signalet svinger symmetrisk omkring 0 Volt. Dvs. både positiv og negativ. Redigeret 01/12-2015 6.0V 4.0V 2.0V 0V -2.0V -4.0V -6.0V 0s 0.5ms 1.0ms V(UIN1) V(UIN2) V(Uout) 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0ms Time Dette kredsløb svarer til den ovenover. Blot er Uin1 ganget med minus 1, hvorefter spændingerne adderes, og ganges med -1 igen. R5 1k R1 Uin 1 1k R4 OUT + Altså opnås at Uout er lig Uin1 minus Uin2, forudsat modstandene er valgt korrekt. Uin 2 0 R2 OUT Uout + R3 0 Eksempel på brug: Mikrofonsignal fra to mikrofoner, anbragt ½ bølgelængde fra hinanden. 2 mikrofoner anbragt på en stang. Den ene anbragt ½ bølgelængde bag den anden. De to signaler vil adderes !! Her kommer et lydsignal ind fra siden. Ikke inverterende summationsforstærker-kobling Af: Valle Thorø Side 21 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 R1 Her et eksempel på en ikke inverterende summationskobling. Uin_1 U1 + Uout OUT R2 Uin_2 - OPAMP R4 R3 Uin_3 R5 0 Overføringsfunktionen er givet ved: R R R R U Out 1 4 T U in _1 T U in _ 2 T U in _ 3 R2 R3 R5 R1 Hvor RT R1 // R2 // R3 // Grundkoblinger: I forbindelse med operationsforstærkere arbejder man med flere grundkoblinger. Her følger en oversigt: Uin U1 R1 + OPAMP Uout OUT R1 - Uin R2 U2 10k - 10k Uout OPAMP OUT 10k + A'=1+(R1/R2) R2 A'=-(R1/R2) 10k 0 Non Inverting 0 Inverting Single supply: Ved single supply kan et indgangssignal ikke ligge omkring nul. I så fald ville signalet komme under nul i de negative halvperioder, og således være under powersupply’ens spænding. Af: Valle Thorø Side 22 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Signalet skal op og ligge omkring halv forsyningsspænding. Dvs. at forstærkerkoblinger skal referere til halv forsyningsspænding. Eksempel på et kredsløb, med single supply. På diagrammet ses, at der ved hjælp af R3 og R4 skabes halv forsyningsspænding på ikke inverterende indgang. Op-amp’en vil derfor sætte en sådan spænding på dens Uout, at Uin bliver = nul. Dvs. der også vil være halv forsyningsspænding på ben 2, og derfor vil der på højre side af kondensatoren C1 også ( med tiden – det tager kort tid efter power-on ) være Ucc/2. C1’s venstre side vil fortsat være 0 Volt. R1 15k Vplus Vplus R3 Uin1 Uin Nul 470n V V 0 LM358 - 1k OUT 3 V1 VOFF = 0 VAMPL = 0.2 FREQ = 1000 4 2 V- 12Vdc U3A + R4 1k 1 V+ C1 Uout V 8 V3 V Nul 1k R2 Vplus 0 0 Og tilhørende graf: 14V 10V 5V 0V 0s Af: Valle Thorø 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms V(C1:2) V(UOUT) V(Vplus) V(UIN) Time 2.5ms 3.0ms Side 23 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 DC-Shift vha. kondensator i signalvejen: Ovenstående kredsløb ligner vores opstart på Samtaleanlægget ret meget. Men hvordan virker egentlig en kondensator ved AC, altså ved signaler. ?? Hvorfor kan strøm gå gennem en kondensator ?? En kondensator er to ledende plader adskilt af et dielectricum ( en isolator). Derfor kan strøm ikke passere gennem den. Men hvis strømmen er AC kan det observeres, at noget ækvivalent til strømmen passerer! AC strøm vender dets retning med en given frekvens. Resultatet er, at polariteten af spændingen målt ved input-terminalerne på kondensatoren svinger mellem positive og negative spændinger. Hvis den påtrykte spænding går positiv, bliver elektroner opmagasineret på den øverste kondensator-plade. Og da elektroner frastøder andre elektroner, bliver elektroner frastødt på den anden plade. Hvis den påtrykte spænding går negativ, bliver elektroner opmagasineret på den nederste kondensator-plade. Og da elektroner frastøder andre elektroner, bliver elektroner frastødt på den øverste plade. I2 er altså lige så stor som I1. I1 V1 12Vac 0Vdc C1 1u I2 0 0 Ved AC-spænding vender strømmen sin retning med en given frekvens. Resultatet er, at polariteten af spændingen målt ved input-terminalerne på kondensatoren svinger fra positive til negative spændinger. Hvis spændingen går positiv, trækkes elektroner væk fra pladen, hvilket betyder, at det lades op positiv, og dette tiltrækker elektroner til den modsatte plade. Man kan også sige, at elektroner løber til den ene side af en kondensator, og andre forlader den anden side, efterladende huller. 1 Den øjebliks-energi, der til enhver tid er opmagasineret i en kondensator, er WC CU 2 [Joule]. 2 Kondensatorens ”modstand” ved AC. Af: Valle Thorø Side 24 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 En kondensators modstand ved DC er uendelig, ( hvis man ser bort fra lækstrømme ). Når kondensatoren er opladt, går der jo ikke mere strøm. Kun hvis der er en uønsket lækmodstand, vil der gå en lille strøm. Ved AC bliver kondensatoren hele tiden opladt og afladt. Dvs. der går en strøm til og fra kondensatoren. Ved samme spænding, fx 12 Vpp AC, er det samme ladningsmængde, der hele tiden skal transporteres til og fra kondensatoren, - uanset frekvens. Ladningerne ankommer til den ene plade, og ophobes, samtidig med at der fra den anden plade forlader samme mængde ladninger, efterladende ”huller”. Generatoren pumper blot ladninger rundt i kredsløbet, frem og tilbage! Ved højere frekvens skal samme ladningsmængde transporteres hurtigere frem og tilbage fra kondensatoren for at opnå samme spænding. Der er kortere tid til at oplade kondensatoren, idet 𝑄 𝑈𝑐 = 𝐶 . Kondensatorens spænding er lig med dens ladning Q delt med kondensatorens størrelse i Farad. En hurtigere ladningstransport er ensbetydende med en større strøm. En større strøm svarer til en mindre modstand. Altså ved stigende frekvens virker kondensatoren som en mindre modstand. En kondensators modstand ved vekselspænding kan beregnes med formlen: X C 1 2 f c Men fordi strøm og spænding ikke er i fase, kaldes kondensatorens modstand ikke modstand, men Impedans. ?? Den benævnes med et X, og fordi det er en capacitor, med index c, altså Xc. ORCAD kan vise en graf, ved at få den til at vise U / I. 2.0M R1 Ugen Uc 10k V2 1Vac 0Vdc C1 1.0M 100n 0 0 0 1.0Hz 1.0KHz V(UC) / I(C1) Frequency 1.0MHz Kredsløbet er tilsluttet en VAC. Det er en AC-generator, der kan udføre et frekvenssweep. Dvs. den beregner resultatet ved én frekvens, ændrer frekvensen og beregner igen osv. Der er ikke sat markere på. Grafen defineres ved at vælge Trace, Add Trace, og så skrive eller klikke sig til en ligning i ORCAD´s grafviseprogram. Af: Valle Thorø Side 25 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 De beregnede spændinger og strømme er listet i venstre rude. Til højre ses de matematiske operatorer, der kan vælges ved at klikke. Frekvensafhængig forstærker, eller Selektiv forstærker Når nu kondensatorer har forskellig modstand ( impedans ) ved forskellige frekvenser, må det kunne bruges i forstærkere. Frekvensafhængige forstærkere, eller selektive forstærkere, har en forstærkning, der er afhængig af hvilken frekvens, der kommer på indgangen. På den måde er det fx muligt at forstærke frekvenser i det hørbare område, og dæmpe både høje frekvenser, fx støj, og lave frekvenser. Afhængig af hvilken forstærkerkobling, der anvendes. I første omgang ses der her på et RC-led. R1 Uout Ved meget lave frekvenser er en kondensator en meget stor modstand. Derfor vil kondensatoren ikke ”belaste” Uout. Modsat ved meget høje frekvenser. Her er kondensatoren stort set kortsluttet, så den spænding, der kan måles på udgangen er ikke stor. 22k V V1 1Vac 0Vdc C1 10n Gnd 0 Der er sat en generator på, en VAC, der kan sweepes. Dvs. ORCAD kan sættes til at beregne værdier for kredsløbet for forskellige frekvenser. Der skal angives en startfrekvens, og en Af: Valle Thorø Side 26 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 slutfrekvens, samt hvor mange punkter der skal beregnes for en stigning i frekvensen på en faktor 10. Ligeledes skal ORCAD indstilles til at lave et AC-sweep i simulations-opsætningen. I simulations settings indstilles til ACsweep, og intervallet angives. Og der ønskes fx 100 beregninger pr. dekade. Grafen for Uout for kredsløbet ovenover ser således ud. 1.0V 0.5V 0V 1.0Hz V(Uout) 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz Frequency Ret logisk ser det jo rigtig ud, ud fra betragtningerne ovenover. Ved lave frekvenser går signalet uhindret igennem, ved høje frekvenser dæmpes udgangssignalet. Det ses, at der er en logaritmisk X-akse med stigende frekvenser. Hvis man nu i stedet betragter kredsløbet ovenfor som en forstærker, må der ved lave frekvenser være en forstærkning tæt på 1 gang, og en forstærkning under 1 for højere frekvenser. Bode-Plot: Af: Valle Thorø Side 27 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 En smart måde at afbilde et kredsløbs forstærkning ved forskellige frekvenser, blev introduceret af Hendrik Bode ( 1905 – 1982 ). Et såkaldt Bode-plot. Et Bode plot har frekvensen ud af en logaritmisk X-akse, og forstærkningen i decibel (dB) op ad Yaksen. Decibel udregnes som 20 gange logaritmen til et kredsløbs forstærkning. U 20 log10 out U In dB = ORCAD’s graf for ovenstående RC-led ser således ud: -0 -20 -40 -60 -80 1.0Hz 10Hz 20* LOG10(V(UOUT)/V(UIN)) 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz Frequency Et Bodeplot har overvejende rette linjer i grafen. I knækket, der dog er lidt rund, er frekvensen af en sådan størrelse, at modstanden Xc i kondensatoren C er faldet til samme størrelse som modstanden R. Efter knækket falder forstærkningen 20 dB / Dekade. Grafen er her tegnet ved i ORCAD’s Graf-vise-vindue at vælge at skrive et udtryk for grafen. Af: Valle Thorø , eller Trace > Add Trace, for Side 28 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 I nederste vindue kan man indtaste et matematisk udtryk for den graf, man ønsker tegnet. Alle beregnede variable er vist til venstre, og til højre kan de matematiske operatorer vælges. Anvendes LTSpice, se: http://www.youtube.com/watch?v=GmzfJa2GS7c Et Bodeplot er en ideel måde at hvordan et kredsløb opfører sig ved forskellige frekvenser. Her er vist grafer for et RC-led. Kredsløbet kaldes også for et Lavpasled, da de høje frekvenser dæmpes! R1 Ugen V1 Uout 100k 1Vac 0Vdc 0 VDB C1 4.7n 0 Ved lave frekvenser er Xc meget stor. Forstærkningen er 1 gange, som er lig med 0 dB. Ved høje frekvenser ”kortsluttes” Uout af kondensatoren, og udgangssignalet dæmpes. Forstærkningen falder. I knækket er forstærkningen faldet 3 dB. -25 (354.813,-3.1143) SEL>> -50 DB(V(UOUT)) 0d (338.844,-44.359) -50d -100d 1.0Hz P(V(UOUT)) 1.0KHz 1.0MHz Frequency Øverste graf har på Y-aksen kredsløbets forstærkning i dB. Her under 1 gange, dvs. 0 dB. Nederste graf viser fasedrejningen for Uout. Ud ad X-aksen er stigende frekvens, i logaritmisk skala. CR-Led: Af: Valle Thorø Side 29 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Laves det samme for et CR-led fås: -0 C1 Uin Uout -20 1n V1 1Vac 0Vdc R1 22k -40 Gnd -60 0 -80 1.0Hz VDB(Uout) 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz Frequency Bodeplot af CR-led Her er kondensator og modstand ombyttet, - og kondensatoren er lidt mindre. For høje frekvenser ses, at signalet ikke dæmpes. Da vil kondensatoren jo også ” virke som en kortslutning”, dvs. udgangssignalet er lig indgangssignalet. C1 Ugen V1 Uout 4.7n 1Vac 0Vdc 0 VDB (346.737,-3.0075) R1 100k 0 Her vises et CR-leddet. -50 SEL>> -100 DB(V(UOUT)) 100d Det kaldes også et højpas-led. (346.737,44.982) 50d 0d 1.0Hz P(V(UOUT)) 1.0KHz 1.0MHz Frequency Frekvensafhængig forstærker: Her er vist to frekvensafhængige forstærkere. Først en inverterende, så en ikke inverterende. Af: Valle Thorø Side 30 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 C1 Inverterende frekvensafhængig forstærker. Parallelt over R1 sidder en kondensator. En kondensators modstand falder ved stigende 1 XC 2 f C Ohm. frekvens. U1 Uin R1 R2 Uout OUT + Dvs. at tælleren i overføringsfunktionen formindskes ved stigende frekvens. OPA MP 0 A' Forstærkningen er udtrykt ved: Tæller Nævner Tæller er lig Xc // R1, og nævneren = R2 Tælleren består af en modstand med en kondensator monteret parallel. I en parallelforbindelse er det sådan, at den totale modstand altid er mindre end den mindste. Hvis den største modstand er meget større end den mindste, vil den totale modstand ligge meget tæt på den mindste, men dog lidt mindre. Man kan sige, at det er den mindste modstand, der dominerer. Ved en bestemt frekvens, må Xc, dens modstand, være faldet i værdi, så den er lig R1. Ved denne frekvens burde forstærkningen tilsyneladende være faldet til ca. det halve. Burde, fordi det ikke er helt rigtigt, fordi der optræder noget, der hedder fasedrejning. Herom senere.!!! Opgave: Simuler ovenstående kredsløb med ORCAD. R1 = 100 K, R2 = 4,7 K, og C1 = 470p Vælg først en VSIN, dvs. en sinusgenerator. Vælg forskellige frekvenser. Iagttag Uout. Dernæst udskift generatoren med en VAC. Det er en speciel sinus-generator, der kan Sweep’es. Dvs. lave analyser af kredsløbets respons, ( opførsel ) ved forskellige frekvenser i samme simulering. Opsæt et AC-Sweep, fra 1Hz til 1meg, vælg 100 points / decade. Sæt en Voltage-marker på udgangen og iagttag Uout ved høje frekvenser. Vælg i stedet for Voltage-Markeren en marker fra menuen PSPICE / Markers / Advanced / dB Magnitude of Voltage. Markeren kan kun vælges, hvis der er opsat et frekvenssweep. Denne marker kræver, at indgangssignalet er 1 Volt. Markeren tegner en graf for udtrykket: U 20 Log10 Out U In Af: Valle Thorø Side 31 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Grafen kaldes et Bodeplot. Monteres der en kondensator i serie med R2, indses, at de lave frekvenser dæmpes !! Test med ORCAD ! Non Inverting selektiv forstærker. U1 Uin + Uout OUT - R1 Analyseres dette kredsløb, ses igen, at tælleren bliver mindre ved stigende frekvens. Overføringsfunktionen er: C1 OPA MP Tæller R2 1-tallet bevirker, at forstærkningen ikke kan blive mindre end 1 gange !! A' 1 R2 Simuler. R1 = 180 K, R2 = 6,8K, C1 = 470 PF 0 I Bodeplottet sås, at der i knækket er en afvigelse på ca. 3 dB. For at forstå det, må der arbejdes lidt med at forstå hvorfor – og hvad det betyder, at der er fasedrejning på 90 grader imellem spænding og strøm i en kondensator. Herom senere !! Der ses nu igen på følgende forstærker-kredsløb: C1 Der findes, at ved den frekvens, hvor Xc1 er faldet til R1, er forstærkningen faldet til 0,707 gange det oprindelige. 4.7n R2 100k R1 På kredsløbet er der sat værdier på, og der laves en simulering i ORCAD. U1 + V1 1k OUT 1Vac 0Vdc - 0 Af: Valle Thorø OPAMP Uout VDB 0 Side 32 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Der er sat en MARKER på, der viser et BODEPLOT, en graf for forstærkningen, og der udføres et AC-sweep fra 1 Hz til 1 MegaHz. 50 0 -50 1.0Hz DB(V(Uout)) 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz Frequency Uout 20 log10 Uin Grafen viser forstærkningen i dB, dvs. Grafen har dB opad, og frekvensen ud ad X-aksen. X-aksen, eller frekvensskalaen er logaritmisk. Hældningen på grafen er over knækket lig med –20 dB pr. dekade. Grafen vil i et Bodeplot, som vist ovenover, bestå af stort set rette linjer. Kun omkring knækket er forstærkningen faldet til 0,707 gange det oprindelige. 0,707 gange er lig –3 dB. 20 ∙ 𝑙𝑜𝑔10 (0,707) ~ − 3 Dvs. at i knækket, ved overgangsfrekvensen, er forstærkningen faldet 3 dB. Normalt kan man godt tegne et Bodeplot bare med rette linjer. Bare man ved, at man laver en – lille – fejl, er det OK. Vælges også at tegne fasedrejningen ses, at ved lave frekvenser er fasedrejningen 180 grader. Ved knækket, f0, er der en fasedrejning på –45 grader i forhold til før. Altså 135 grader. Og ved høje frekvenser er fasedrejningen faldet til 90 grader. Af: Valle Thorø Side 33 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 ORCAD’s marker til at vise Bodeplot kan findes som vist: Det er en betingelse, at der først er sat et AC-sweep op!! Og det er betingelsen, at det påtrykte signal er på 1 Volt. Bodeplot generelt: Et Bodeplot viser en forstærkers forstærkning ved forskellige frekvenser. Ovenfor så vi ved hjælp af vektordiagrammer, at fasedrejningen ændres ved stigende frekvenser. ORCAD kan også tegne graf for udgangens fasedrejning som funktion af frekvensen. Det ses herunder. Af: Valle Thorø Side 34 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 50 0 SEL>> -50 DB(V(Uout)) 167d 133d 100d 1.0Hz 10Hz P(V(Uout)) 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz Frequency Øverst ses fasedrejningen for et kredsløb. Nederst graf for forstærkningen i dB. Hældningen på forstærkningen er –20 dB / Decade ved frekvenser over knækfrekvensen. I Probe kan skærmen deles op i to grafvinduer. Vælg Plot / Add Plot to Window. Herefter har man to grafvinduer. Den aktive er markeret med SEL>>. Der kan skiftes ved at klikke til venstre for graferne. I det tomme vindue ønskes en graf af fasedrejningen. Der vælges Trace / Add Trace, og der vælges i højre side: P( ).P står for Phase !. I parentesen skal placeres udtrykket for Uout. Find den til venstre. Plot Templates Af: Valle Thorø Side 35 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Det er også muligt, direkte at få vist de to grafer i PSPICE. Vælg følgende marker: Pspice / Markers / Plot window template / Bodeplot dB-Separate 50 0 SEL>> -50 DB(V(U2:OUT)) 0d -200d Til højre ses et eksempel på graferne i Plot-vinduet for et kredsløb. -400d 1.0Hz 100Hz P(V(U2:OUT)) 10KHz 1.0MHz Frequency Båndpas forstærker, non inverting En båndpasforstærker er en forstærker, der forstærker et frekvensbånd, dvs. frekvenser mellem en lavere og en højere frekvens mere. Et såkaldt bånd. Frekvenser udover frekvensbåndet forstærkes mindre. Af: Valle Thorø Side 36 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 VD B U1 Uin Opbyg følgende i ORCAD. Analyser, og beskriv. Ved meget lave frekvenser er XC2 meget stor. Faktisk en afbrydelse. Derfor er forstærkningen lig 1 gange. + Uout OUT V1 1Vac 0Vdc OPAMP R1 C1 330k 47n 0 Efterhånden som frekvensen stiger, falder XC2, og kommer på et tidspunkt ned på 330 Kohm. Herved må forstærkningen være ca. 2 gange. ( der er jo et 1-tal i overføringsfunktionen for kredsløbet. ) R2 1k C2 10u 0 𝑅 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑙𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑 𝑋𝐶1 𝐴´ = 1 + 𝑅2 + 𝑋𝐶2 Når XC2 kommer ned under værdien af R2, dvs. = 1 K, bliver dens værdi ubetydelig, og forstærkningen stiger ikke mere. Ved endnu højere frekvenser begynder XC1 at gøre sig gældende. Den er en parallelforbindelse med R1. Når den kommer ned på 330 Kohm, begynder forstærkningen at falde igen. Prøv at sætte to identiske kredsløb efter hinanden. Båndpass forstærker, Inverterende C4 Beskriv dette kredsløb. Opbyg, og afprøv med ORCAD. 10n R4 100k C3 U2 R3 Uin2 100u 1k OUT V2 + 1Vac 0Vdc Uout2 VDB OPAMP 0 0 Generelt: Inverterende forstærker Af: Valle Thorø Side 37 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 C1 For diagrammet til højre er nedenfor vist et Bodeplot, med tilhørende knæk. 47p R1 68k C2 R2 1u 1k U1 Ugen - VDB Uout OUT V1 1Vac 0Vdc + OPAMP 0 0 60 A' = -( R1/R2) XC1 = R1 XC2 = R2 40 (50.394K,33.612) (159.361,33.621) (2.4547K,36.621) 20 Baandbredde fra 1. knaek til 2. knaek 0 -20 dB / dekade + 20 dB / dekade -20 1.0Hz 10Hz VDB(UOUT) 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz Frequency Generelt om Non inverting forstærker: Nedenunder ses Bodeplottet for forstærkeren til højre. Ved meget lave frekvenser er forstærkningen 1 gang, = 0 dB, fordi C2 er uendelig stor. Ved meget høje frekvenser er C1 kortsluttet, hvorfor forstærkningen her også er 1 gang, = 0 dB. U1 Ugen + 1Vac 0Vdc Uout OUT V1 - VDB R1 OPAMP C1 68k 47p 0 R2 1k C2 1u 0 Af: Valle Thorø Side 38 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 60 A' = 1+(R1/R2) 40 (155.302,33.648) (50.119K,33.740) XC2 = R2 XC1 = R1 (3.0903K,36.749) -20 dB / dekade +20 dB / dekade 20 XC1 = R2 R1 = XC2 0 100mHz 1.0Hz VDB(UOUT) 100Hz 10KHz 1.0MHz 100MHz Frequency Begrebet Fasedrejning: Fasedrejning i en kondensator og betragtninger vedrørende RC-led. Følgende er nogle betragtninger, der gerne skulle føre frem til en forståelse af forholdene omkring kondensatorers og spolers frekvensafhængighed, og deres virkninger i et kredsløb ved vekselspænding. Når modstande og kondensatorer blandes, vil der opstå fasedrejning af signalet. Fasedrejning betyder, at strøm og spænding ikke følges ad tidsmæssigt. Noget svarende til, at sommeren ikke er varmest omkring midsommer, men er forskudt tidsmæssigt bagud. Og vinteren også. Et andet eksempel er vores døgnrytme. Vi er ikke vågne symmetrisk om kl. 12 middag. Af: Valle Thorø Side 39 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Først betragtes en modstand, dernæst en kondensator, sidst en kombination: Modstand: Fasedrejning, Modstand: Tilsluttes en sinus - spændingsgenerator direkte til en modstand, ses, at der går en vekselstrøm gennem modstanden. Generatoren pumper ladningerne frem og tilbage. Det er de samme elektroner, der bare skubbes lidt frem og tilbage. Og de løber kun ganske kort, langt under 1 mm. Men alle elektroner skubber til de næste osv. lige som en række togvogne. Generatoren genererer vekselspænding, og den pumper ladningerne frem og tilbage gennem modstanden. Det er de samme elektroner, der skubbes. Og de løber kun ganske kort, under 1 mm. Men alle elektroner skubber til de næste osv. lige som en lang række togvogne. Strøm Ur V1 1Vac R1 1k Dvs. at når sinus-spændingen er positiv, er strømmen positiv, og når sinus-spændingen er negativ, er strømmen også negativ. Når spændingen er størst, vil strømmen også være størst. 0 Og i spændingens nulgennemgang, hvor spændingen jo er nul, vil strømmen også være nul. Man siger, at strøm og spænding er i fase. De er der samtidig. Og de er nul samtidig. Som det ses af følgende graf: S p æ n d i n g 1.0V 0V -1.0V S t r ø m 200uA Spænding Strøm 0A >> -200uA 0s 1 0.5ms V(V1:+) 2 1.0ms I(R1) 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms Time Plot af Spænding og strøm i fase Fasedrejning φ = 0. Det ses, at frekvensen er 1 KHz, dvs. 1 hel svingning på 1 mS Af: Valle Thorø Side 40 af 112 OP-amps På vektordiagramform ser situationen således ud! Redigeret 01/12-2015 I U Vinklen mellem spænding og strøm kaldes fasedrejning, og benævnes med Fi, φ. Vinklen er 0 grader. Herefter ses på en kondensator tilsluttet en spændingsgenerator: Fasedrejning, Kondensator: V Sættes en sinus spændingsgenerator, uendelig god, direkte til en kondensator, vil kondensatorens spænding til enhver tid være den sammen som generatorens. Der er ingen modstand til at bremse ladningerne. Dvs. strømmens flow, så opladningen af kondensatoren sker lynhurtigt. Der er uendelig strøm til rådighed. V1 VOFF = 0 VAMPL = 10 FREQ = 1000 C1 100n Vsin 0 0 Her ses en kondensator, der påtrykkes en spænding fra en sinus-generator. Det er en vekselspænding, - så der må også løbe en vekselstrøm. Matematisk kan vekselspændingen udtrykkes ved: u t U max sin(t ) hvor 2 f Sinus-spændingsgeneratoren ( uendelig god ), er sat direkte til en kondensator. Kondensatorens spænding til enhver tid være den sammen som generatorens. Der er ingen modstand til at bremse ladningerne / strømmens flow, så opladningen af kondensatoren sker lynhurtigt. Der er uendelig strøm til rådighed. UC er altså lig Ugen. Altså når Ugen er i max, er UC også i max. Af: Valle Thorø Side 41 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Den strøm, der løber til kondensatoren, bruges til at lade kondensatoren op, så kondensatorens spænding hele tiden er lig generatorens. Dvs. der går en strøm, når der er en spændingsændring. Når generatorens spænding ændres, skal der jo flyttes ladninger, for at kondensatorens spænding bliver den samme. Når nu generatorens spænding er i top, sker der ingen spændingsændring. Dvs. der ikke skal flyttes ladninger til eller fra kondensatoren. Altså, strømmen er 0, når Ugenerator er i top. – Og det må også være sådan, at ved den største spændingsændring, dvs. i generator-spændingens nulgennemgang, må strømmen være størst. Matematisk kan det udtrykkes ved: dU K dt K er en konstant, her afhængig af kondensatorens størrelse. Jo større kondensator, jo flere ladninger skal flyttes, for at ændre dens spænding. Og tillige afhængig af frekvensen. I I V UC er altså lig Ugen. Altså når Ugen er i max, er UC også i max. Ugen Men kondensatoren skal jo oplades / aflades for at spændingen over den kan ændres. Og til opladning / afladning kræves, at der flyttes elektroner / ladninger, dvs. at der går en strøm. C1 V1 VOFF = 0 VAMPL = 1 FREQ = 1000 100n 0 0 Generatoren forbundet til en kondensator. Dvs. at hvis spændingen over kondensatoren ændres, må der gå en strøm. Og hvis spændingen skal ændres meget på kort tid, må der en ”stor” strøm til. Det betyder også, at hvis der ikke ændres på spændingen over kondensatoren, går der ingen strøm. Dette sker jo hvis hældningen på den påtrykte sinus er 0. dvs. at toppunktet og i bunden. 𝑑(𝑈𝑐 ) 𝑑𝑡 = 0. Og dette sker netop i Altså ses, at når dU 0 dt må strømmen I være = 0. Altså hvis sinusspændingen er i top, vil strømmen Ic være 0. Af: Valle Thorø Side 42 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Tilsvarende når generatorspændingen UC krydser 0 Volt, vil spændingsændringen og dermed 𝑑(𝑈 ) hældningen 𝑑𝑡𝑐 være størst, og dermed må spændingsændringen over kondensatoren også være størst. Og altså også strømmen Ic der går til eller fra kondensatoren. På en graf ser det ud som på følgende: 1 1.0mA 2 1.0V Ugen 0A 0V IC -1.0mA >> -1.0V 0s 1 -I(C1) 0.5ms 2 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms V(V1:+) Time Graf for spænding og strøm i en kondensator. Φ = 90 grader Grafen for den påtrykte spænding er markeret med trekanter, strømmen med firkanter. I grafen til højre er nu også vist strømmen til kondensatoren. ( Den røde ) Strømmen hen til kondensatoren regnes positiv. Det ses, at strømmen I er 90 grader forud for spændingen. Når man ”går” ud ad Xaksen, møder man først I-grafen, og efter 90 grader U-grafen. Der optræder en faseforskydning, eller en fasedrejning mellem strøm og spænding. I grafen ovenfor af Uc og Ic, med tiden ud ad X-aksen, vil først Ic krydse 0 [V] på vej ned, og 90 grader senere krydser Uc 0 [V] på vej nedad. Tilsvarende på vej opad. Uc er altså 90 grader bagefter Ic, eller Ic er 90 grader foran Uc. Fasedrejningen FI = 90 grader. For at huske at strømmen er foran spændingen, kan anvendes huskereglen med navnet ELICE. Omkring C`et ses at ”I” er før ”E”. Egentlig bruges U for spændingen, men tidligere brugtes E. Derfor burde hun hedde ULICU. ( I en spole ( L ) er U før L, og I efter L. ) Af: Valle Thorø Side 43 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Efter et spændings-toppunkt falder spændingen, og kondensatoren må følgelig aflades. Altså er strømmen på vej ud af kondensatoren, hen mod generatoren. Hvis strømmen hen til kondensatoren regnes positiv ses, at efter et spændingstoppunkt er strømmen til kondensatoren negativ. Og i spændingens nulgennemgang er dens hældning størst, positiv eller negativ, og derfor er spændingsændringen størst og der skal flyttes flest elektroner pr tidsenhed ud af eller ind i kondensatoren. Følgelig må strømmen være størst her. Altså må der, som der ses på grafen, være en forskydning mellem strøm og spænding på 90 grader. Og strømmen er 90 grader før spændingen. En hel svingning er jo 360 grader. Tegnes en graf af Uc og Ic som ovenfor, med tiden ud ad X-aksen, vil først Ic krydse 0 [V] på vej ned, og 90 grader senere krydser Uc 0 [V] på vej nedad. Uc er altså 90 grader bagefter Ic. Eller Ic er 90 grader foran Uc. Fasedrejningen FI, = 90 grader. For at huske at strømmen er foran, kan anvendes navnet ELICE. Omkring C`et ses at ”I” er før ”E”. Egentlig bruges U for spændingen, men tidligere brugtes E. Derfor burde hun hedde ULICU. ( I en spole ( L ) er U før L, og I efter L. ) På vektorform ser det således ud. Vektorerne drejer venstre om. Man står et sted og venter, og den første vektor, der ankommer, er strømmen. 90 grader efter kommer spændingen. Fasedrejningen eller faseforskydningen er 90 Grader. I Uc Strømmen tegnes vandret Fi Strømmen er 90 grader forud for den påtrykte spænding. I dagligdagen kender vi fx faseforskydning fra årstiderne. Det er ikke koldest ved 21 december, der er den korteste dag, og ikke varmest til Sct. Hans. Temperaturen er forskudt bagud et par måneder. Og vores døgnrytme er forskudt. Vi står jo ikke op og udnytter de første lyse timer. Og vi er vågne til sent aften. Englænderne er forskudt bagud i forhold til os, men forud i forhold til USA !! Modstand og kondensator i serie Fasedrejning, RC-Led Forbindes en serieforbindelse af en modstand og en kondensator, - et RC-led, - til generatoren haves en mellemting mellem en ren ohmsk belastning og en kapacitiv belastning. Alt afhængig af frekvensen. Af: Valle Thorø Side 44 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Når man nu sætter modstande og kondensatorer sammen, kan modstandene ikke adderes direkte, fordi strøm og spænding ikke er i fase i kondensatoren. Det er de i modstanden! For at analysere situationen, kan man bruge vektordiagrammer. Vektorer afbilder spændingen over modstanden og over kondensatoren. V Først ses her Orcad-simulering. 10V R1 1k V V1 VOFF = 0 VAMPL = 10 FREQ = 1000 0V C1 100n Vsin -10V 0s V(V1:+) 0 0 1.0ms V(C1:2) Time 2.0ms En serieforbindelse bestående af en modstand og en kondensator påtrykkes en sinus-spænding. Den påtrykte spænding deler sig mellem modstanden og kondensatoren, og idet kondensatorens modstand er frekvensafhængig, må der også være et frekvensafhængigt forhold mht. spændingsdelingen. R2 Uout Ugen C1 0 0 Generatoren påtrykker RC-leddet en sinus-spænding. Strømmen I er ens i de to komponenter. Når der går en strøm i den ene, går der også strøm i den anden. Der kan ikke ophobes ladninger! Strøm ophobes ikke. Der kan måles lige stor strøm hele vejen rundt i kredsløbet. Størrelsen af strømmen I er afhængig af modstanden, generatoren ser ind i. Og modstanden er igen afhængig af generatorens frekvens, idet kondensatorens modstand Xc jo er frekvensafhængig. Hvis en modstand ikke er ren ohmsk, kaldes den for en impedans. Ved ren ohmsk belastning ville strøm og spænding være i fase, dvs. at når spændingen er på sit højeste, er strømmen det også. Og når spændingen er 0, er strømmen også 0. Fasedrejningen Fi φ er 0 grader. ( Dette er vist tidligere ) I vektordiagrammet afsættes ved ren ohmsk belastning både strøm og spænding ud af samme akse vandret til højre og vinklen mellem dem er 0 grader. Af: Valle Thorø Side 45 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Men nu er der en “ikke ohmsk” komponent med. Dvs. at strøm og spænding ikke længere er i fase. I et vektordiagram – se nedenfor - afsættes den, der er “ens”, altid vandret til højre. I en serieforbindelse er det strømmen, der er ens – eller fælles. Strømmen går jo gennem begge komponenter samtidigt. Spændingen over modstanden UR er altid i fase med strømmen og afsættes ud ad X-aksen i fase med strømmen. I kondensatoren er strømmen IC 90 grader foran spændingen UC - og det betyder jo også, at spændingen er bagud for strømmen. 90 grader bagud. Vektordiagrammet drejer mod uret. Man “står” så et sted, og ser, hvad der først kommer forbi. Derfor afsættes UC lodret nedad, altså 90 grader bagud. Reglen er, at den fælles størrelse tegnes vandret mod højre. I er fælles. Den går jo samtidig i modstanden og kondensatoren. Når der løber en strøm, er den samme størrelse og ens hele vejen rundt. Strømmen I afsættes vandret ud ad X-aksen. UR er i fase med strømmen, og sættes ud ad x-aksen. I er 90 grader foran UC, altså er UC 90 grader bagefter UR . Dette ser ud som her i et vektor-diagram. Delta UR Delta Uc Generatorspændingen deles mellem modstanden og kondensatoren. Dvs. at summen af Ur og Uc er lig Ugen. Generatorspændingen UGen er den geometriske sum af UR og UC. Strømmen er altså foran den påtrykte generatorspænding. UOUT, der er lig UC, er bagud i forhold til generatorspændingen, altså haves en faseforskydning bagud eller “en negativ faseforskydning”. Faseforskydningen er vinklen mellem Ugen og UOUT og kaldes for “Fi”. Ur Fi I Ugen Uout = Uc Vektordiagram for UR, UC og UGEN i et RC-led. Af: Valle Thorø Side 46 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Ugen er den påtrykte spænding. Dennes længde ændres ikke ved forskellige frekvenser. Den bestemmes jo af generatoren. Men fordelingen af spændingen over R og XC ændres ved forskellige frekvenser. Uc bliver mindre ved højere frekvenser. Dvs. at vektoren Ugen vandrer / drejer fra næsten lodret cirkelformet op mod vandret mod højre omkring Origo ved stigende frekvens. Spændingerne skal adderes vektorielt, ( Pytagores ). Følgende forhold gælder: U Gen Ur Ur 2 Uc2 Uc Ugen Ugen er den påtrykte spænding. Dennes længde ændres ikke ved forskellige frekvenser. Den bestemmes jo af generatoren. Men fordelingen af spændingen over R og XC ændres ved forskellige frekvenser. Uc bliver mindre ved højere frekvenser. Dvs. at vektoren Ugen vandrer eller drejer fra næsten lodret cirkelformet ved stigende frekvens op mod vandret mod højre, omkring Origo. Dette er skitseret på følgende graf. Den laveste frekvens er vist med rød farve. Kondensatoren er ikke ”så meget kortsluttet” endnu, så der ligger en spænding over den som er næsten lige så stor som den påtrykte generatorspænding. Spændingsfaldet over modstanden er mindre. Uc og Ur vektorielt sammenlagt er lig Ugen. Ved stigende frekvens når kondensatorens modstand Xc på et tidspunkt ned på en værdi, der er den samme som modstandens størrelse. Vist med grønne vektorer. Og endelig, ved en større frekvens er kondensatorens Xc værdi faldet til en lille størrelse, så den næsten virker som en kortslutning. Den blå Uc er ikke så stor, derfor ligger den største spændingsfald over modstanden, idet der jo stadig gælder, at Uc og Ur vektorielt sammenlagt skal give Ugen. Det ses også , at i et R-C-led vil udgangsspændingen falde, ved højere frekvenser. Udgangsspændingen er lig spændingen over Kondensatoren, altså lig Uc. Af: Valle Thorø Side 47 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Og det ses, at udgangsspændingen er faseforskudt bagud i forhold til den påtrykte spænding Ugen. Ved lave frekvenser er vinklen ( φ, fi ) ikke så stor, ved knæk-frekvensen ( den frekvens, hvor Uc = Ur ) er φ = -45°, og ved endnu højere frekvenser nærmer fasedrejningen -90°. Hvis man dividerer gennem med I, fås idet R U R I Xc samme vektordiagram, men nu gældende for modstandene. Også disse to vektorer kan adderes, for at finde den samlede modstand i R-C-leddet, set fra generatoren. Der fås følgende: R Den samlede modstand kaldes Impedans, når den ikke er ren OHMSK. Samlede modstand Z Den benævnes med et Z. Modstanden i kondensatoren, Xc udregnes som XC Er størrelsen på modstanden og XC lige store, må impedansen Z også kunne findes af: Xc 1 2 f C Z R cos(45) Vektorerne kan også adderes som vektorer, ved hjælp af kompleks regning. I en serieforbindelse som ovenfor findes, idet ”j” udtrykker en retning vinkelret på X-retningen. ( R j 0) (0 jX C ) der udregnes til (R jXC ) Dette er nøjagtig det, der er vist i vektordiagrammet ovenfor. Den samlede modstand, dvs. de to vektorer adderet vektorielt, findes som: Z R2 X C 2 og fasedrejningen, eller vinklen mellem dem findes af: tg 1 ( Af: Valle Thorø XC ) R Side 48 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 ORCAD kan igen hjælpe os. De gule markere er en spændings-difference-marker. R1 Ugen V Uc V+ 10k V V- V2 1Vac 0Vdc Eller vælg ”Add Trace” og indtast Ugen minus Uc. C1 100n 0 0 Graferne ser således ud.: 1.0V (159.634,708.587m) 0.5V 0V 1.0Hz V(UC) 10Hz V(UGEN) 100Hz V(UGEN,UC) 1.0KHz 10KHz 100KHz Frequency Bemærk, at hvis man adderer Ur og Uc, får man mere end den påtrykte spænding. Det er fordi de jo skal adderes vektorielt, da de ikke er i fase! I opsætningen af simuleringen vælges et AC-sweep, og der angives startfrekvens og slutfrekvens. Af: Valle Thorø Side 49 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Ved meget lave frekvenser er XC meget stor, og næsten hele generatorspændingen kan måles over kondensatoren. Modstandens værdi er lille i forhold til XC. Vektoren Ugen er næsten lodret. Strømmen I må være lille! Stiger frekvensen, falder XC, og vektoren Ugen drejer mod højre. Spændingen over XC falder mens den stiger over modstanden. I må også blive større. Ved en bestemt frekvens er XC faldet til samme værdi som modstanden. XC og R er lige store, og derfor også UC og UR. I er jo den samme i både modstand og kondensator. Sammenlagt vektorielt er de lig med den påtrykte spænding Ugen. Dvs. at Ugen må gå 45 grader ned mod højre. Altså ses, at jo større UC er i forhold til UR, jo mindre vinkel. Den største UC fås ved den laveste frekvens, hvor modstanden i kondensatoren jo er meget stor. Jo mere frekvensen stiger, jo mindre bliver impedansen i kondensatoren, og jo mindre bliver UC - og vinklen Fi stiger. Den frekvens, hvor Xc er faldet til samme værdi som modstanden, kaldes overgangsfrekvensen, eller knækfrekvensen, eller f0. Ved overgangsfrekvensen eller knækfrekvensen f0 er kondensatorens modstand faldet til samme værdi som modstandens værdi, og UC og UR er lige store, og vinklen vil være 45 grader. Uout ses i vektordiagrammet at være Ugen gange Cos (45), som også er tan(Fi) = U Gen 2 , eller Ugen gange 0,707. Modstående U R R Hosliggende U C X C UR R tan 1 U X C C tan 1 Af: Valle Thorø Side 50 af 112 OP-amps S p æ n d i n g Redigeret 01/12-2015 1.0V Ugen 0V Uc Ur -1.0V 0s V(UGEN) V(UC) 1.0ms V1(R1)- V2(R1) Time 2.0ms 3.0ms RC-led, R = 10 KOhm, C = 100 nF, Det ses, at Uc + Ur = Ugen. Ved valgte komponenter og frekvens er U X C lav, som det ses. U R er næsten lig Ugen. Med andre komponentværdier findes følgende: 1.0V Ugen Uc 0V Delta Ur -1.0V 0s V(UGEN) 0.5ms V(UC) 1.0ms 1.5ms V1(R1)- V2(R1) Time 2.0ms 2.5ms 3.0ms RC-led, R = 10 KOhm, C = 10 nF, Det ses, at summen af Uc og Ur er lig Ugen. Kondensatoren er nu kun 10 nF, dvs. at en større del af spændingen nu ligger over kondensatoren. Af: Valle Thorø Side 51 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Ved hjælp af to grafer, kaldet et Bodeplot, får man et fint billede af situationen ved forskellige frekvenser. Den ene graf er for systemets forstærkning, dvs. Uout / Uin. Forstærkningern er ganske vist under 1, dvs. en dæmpning, men kan godt opfattes som en forstærkning. Grafen har logaritmisk X-akse, og forstærkningen afbildes i dB (decibel). Forstærkningen i dB finUout des som dB 20 log10 Uin Den anden graf viser fasedrejningen, igen med frekvensen afbildet logaritmisk ud ad X-aksen. Sammenlignes grafen ovenover med Bodeplot – skitsen nedenfor, ses, at ved f0, der hvor vi har knækket, er forstærkningen ifølge ovenstående faldet til 0,707 gange Ugen selv om det ikke tegnes. Der tegnes med rette linier. 0,707 omregnet til dB er -3,01 eller blot -3 dB. I knækket siges også, at man har nået 3 dB grænsen. U dB 20 log10 A' = 20 log10 OUT U Gen Følgende graf er et Bode plot af er RC-led: 0 -20 -40 1.0Hz VDB(UC) 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz Frequency Grafen har dB op ad Yaksen. Af: Valle Thorø Side 52 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 0d -50d -100d 1.0Hz VP(UC) 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz Frequency Og fasedrejningen! Bodeplot og fasedrejning fra simuleringsprogrammet ORCAD. Øverst VDB, (UdB) er et Bodeplot af forstærkningen, og nederst VP, UPhase, er udgangsspændingens fasedrejning i forhold til indgangsspændingen.. I ORCAD findes specielle markeres til at fremstille et Bodeplot. Generatorens ACspænding skal default være 1 V. Er den en anden værdi, må man selv vælge ”Trace, Add Trace” og skrive en ligning for grafen. U 20 log10 out U In Af: Valle Thorø Side 53 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Højpas-led ( CR-led ) Fasedrejning Højpasled I et højpasled er strømmen I også ens. Det er jo en serieforbindelse. UR er i fase med strømmen, og IC 90 grader foran UC. Ugen, som er den geometriske sum af UR og UC, er bagud i forhold til strømmen, dvs. strømmen er foran Ugen. Uout tages over UR og er således foran generatorspændingen. Fi er altså positiv og er vinklen fra Ugen til UR. Vektordiagram for et CR-led. Uout er foran generatorspændingen. Det ses af vektordiagrammet at jo højere frekvens, jo mindre XC og dermed UC, jo mindre vinkel Fi, og jo større bliver UR. Ved meget lave frekvenser er XC meget stor i forhold til R, heraf er UC også stor i forhold til UR, og fasedrejningen er næsten 90 grader. Ugen er jo konstant, og deles vektorielt af XC og R. Ved lave frekvenser er XC stor, og der kommer næsten ikke noget ud på Uout. Ved meget høje frekvenser er kondensatoren næsten kortsluttet, og derfor er Uout næsten den samme som Ugen. Høje frekvenser passerer altså næsten uhindret gennem kredsløbet, og deraf navnet ”Højpasled”. Af: Valle Thorø VD B Ved høje frekvenser er kondensatoren næsten kortsluttet, derfor er UC lille i forhold til UR, og fasedrejningen er næsten 0 grader. C1 Ugen Uc 10n R1VP V2 1Vac 0Vdc 10k 0 0 Side 54 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 0 -40 -80 1.0Hz VDB(UC) 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0KHz 10KHz 100KHz Frequency 100d 50d 0d 1.0Hz VP(UC) 10Hz 100Hz Frequency Bodeplot af et højpasled og tilhørende fasedrejning vist med simuleringsprogrammet ORCAD. VDB er Bodeplot af forstærkningen i dB, som selvfølgelig er under 0 dB. 0 dB er lig 1 ganges forstærkning. VP er udgangsspændingens fasedrejning. Af: Valle Thorø Side 55 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Differens-forstærker R1 Kredsløbet vist her er en differensforstærker. For at komme frem til en formel for overføringsfunktionen, kan superpositionsprincippet anvendes. R2 Uin 1 U1 Uin 2 OUT Uout + R3 OPAMP R4 0 Superpositionsprincippet: En spænding på en udgang kan beregnes som summen af delbidragene fra hver af indgangene, når den anden indgang er = 0. R1 R2 Ses først på Uin1, når den anden, dvs. Uin2 er nul, findes følgende ækvivalent-diagram: Uin 1 U1 OUT Uout + OPAMP R3 R4 0 Og der fås: Uout1 Uin1 0 R1 R2 U1 + Uin 2 Herefter ses på Uin2: Ækvivalentdiagrammet må være følgende: Først er der i signalvejen en spændingsdeler, derefter en ikke inverterende forstærker. Ligningen bliver: Uout2 Uin2 Af: Valle Thorø R3 OUT R4 - Uout OPAMP R1 R2 0 0 R4 R1 R 2 R3 R4 R2 Side 56 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Nu summeres, jfr. Superpositionsprincippet, og der fås R1 R2 R4 R1 Uout Uout2 Uout1 Uin2 Uin1 R2 R3 R4 R2 Vælges nu R4 = R1 og R3 = R2 fås: Uout Uin2 R1 R1 R2 R1 Uin1 R1 R2 R2 R2 Og endelig, ved forkortning: Uout Uin2 Uin1 R1 R2 Udgangsspændingen er altså forskellen mellem indgangsspændingerne ganget med forholdet R1/R2 – under forudsætningen, at R4 = R1 og R3 = R2. ORCAD Øvelse: Opbyg og undersøg Differens-forstærker-koblingen vist nedenunder her. R2 15K 11 Minus V2 Uin 2 12Vdc V U2A 1k V5 0 VOFF = 0 VAMPL = 3 FREQ = 1000 Uin2 V Uout V Plus R4 Minus V1 0 Vsin 15k VOFF = 0 VAMPL = 3.1 FREQ = 1000 0 Af: Valle Thorø + 1 1k 4 12Vdc LM324 OUT R3 3 V3 - V- R1 V+ Plus 0 Side 57 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 4.0V 0V -4.0V 0s 1.0ms V(UIN2) V(UOUT) V(UIN) 2.0ms 3.0ms 4.0ms 5.0ms Time Det ses, at det er forskellen mellem de to indgangsspændinger, der forstærkes. Differensforstærker ved single supply Differensforstærkeren kan også arbejde på single supply. Så skal R4 opdeles i to, hver dobbelt så store, og forbindes til hhv. plus og nul, iflg. Thevenin !! Se senere. R1 10 0k R2 U1 Uin 1 + 1k OUT R3 Uin 2 Kredsløbet kan fx bruges til forstærkning af signalet fra en Wheatstones bro, hvori der indgår en NTC-modstand, eller fx Straingauges i en vejecelle. - Uout OPA MP 1k V CC R4a 20 0k R4b 20 0k 0 Eksempler flyttes hertil !! Oscillator bygget med OPAMP: Den enkleste oscillator, der kan bygges med en op-amp, er vist i følgende diagram. R1 U1 Uout2 Uout1 OUT + R2 OPAMP C1 R3 0 Af: Valle Thorø 0 Hvis der antages, der ved power_on er nul volt over kondensatoren, vil der være nul volt på inverterende indgang. Er udgangen også = nul, vil der ligeledes være nul mellem R2 og R3. Og altså også på den ikke inverterende indgang. Nul gange operationsforstærkerens medfødte forstærkning, fx 106, er stadig nul, der sættes på udgangen, så der er altså balance! Og der sker ikke noget! Men det er ganske givet, at der ikke er helt symmetri i Opamp’en. Den er ikke perfekt, og udgangen vil ikke være nul selvom delta Uin er nul !. Der vil være en lille spænding på Side 58 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Uout, der spændingsdelt af R2 og R3 føres tilbage til +indgangen. Er det fx bare 2 Volt, vil der fx føres 1 V tilbage til indgangen, der så vil blive forstærket 106 gange til 1 Volt, der igen føres tilbage osv. Altså vil udgangen ved Power_On straks gå enten helt op i nærheden af forsyningsspændingen, ( eller helt ned til den negative forsyningsspænding ). Antages, at udgangen er helt i top, starter opladningen af C1. Asymptoten er spændingen på Uout. Men når Opamp’en på sin minus-indgang måler en spænding, der er højere end på +indgangen, vil forskellen gange 106 blive sendt ud på udgangen, følgelig går den ned i nærheden af den negative supply. Nu aflades kondensatoren igen mod den negative supply, indtil det hele gentages. Der er bygget en oscillator. Upper og Lower triggerlevel styres af R2 og R3. Er de lige store, lades op til ca. halv forsyningsspænding, og ned til minus halv forsyningsspænding. Grafen ser fx således ud: 20V 0V -20V 0s V(UOSC) 1.0ms V(C1:2) 2.0ms V(U2B:V+) 3.0ms V(U2B:V-) Time 4.0ms 5.0ms Oscillatorens frekvens er: f 1 R2 2 R1 C1 ln R 2 2 R3 R2 og R3 kan erstattes af et potmeter, med midterudtaget ført tilbage til den inverterende indgang. Herved kan hysterese-bredden justeres. På Uout1 måles en firkant, i Uout2 en ”kondensator – oplade – aflade graf.” Af: Valle Thorø Side 59 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 ORCAD Opgave: Simuler kredsløbet vist nedenunder. Forklar ! + IC= 1 R5 10k Minus 11 Plus 12Vdc V + LM324 V U2B 5 V3 - V- 6 OUT 7 Uosc V+ V2 V 4 12Vdc 0 PlusV R6 1k Minus C1 47n R7 0 1k 0 20V 0V -20V 0s V(UOSC) 1.0ms V(C1:2) 2.0ms V(U2B:V+) 3.0ms V(U2B:V-) Time 4.0ms 5.0ms Single supply Ocsillator: Af: Valle Thorø Side 60 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 R1 Skal oscillatoren arbejde med single supply, deles R3 op i 2. Den ene til stel, den anden til plus. De to nye R3 skal være dobbelt så store som før! Formlen burde passe hvis der indsættes oprindelige værdier for R3 .! Forsyningsspændingen indgår jo ikke i formlen! U1 Uout2 Uout1 OUT R2 + OPAMP C1 R3 Ucc R3' 0 0 ORCAD Opgave Undersøg nedenstående Oscillatorkredsløb med singel supply. Igen er der med R7 og R8 benyttet en thevenin-omformning. + IC= 1 R5 10k 11 Plus 12Vdc V + LM324 0 V U2B 5 V3 - V- 6 OUT 7 Uosc V+ V2 Plus V 4 12Vdc 0 Minus PlusV R6 R8 1k 2k C1 47n R7 0 2k 0 Af: Valle Thorø Side 61 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 12V 8V 4V 0V 0s V(UOSC) 1.0ms V(C1:2) 2.0ms V(U2B:V+) 3.0ms V(U2B:V-) Time 4.0ms 5.0ms Og hvorfor skal R3 erstattes af to modstande der hver er dobbelt så store ? For at forstå dette, skal der arbejdes lidt med Thevenin-omformninger: Thevenin / Norton eller Erstatningsgenerator-princip. Hvis man har et kredsløb bestående af spændingskilder og modstande i fx en black box, kan man ifølge Thevenin altid erstatte kredsløbet med en spændingsgenerator i serie med en modstand. Thevenins sætning lyder: Ethvert lineært kredsløb, der har to afgangsklemmer, vil udadtil opføre sig overfor en ydre belastning på samme måde, som var alle kredsløbets indre spændingsgeneratorer og indre impedanser erstattet af en enkelt spændingsgenerator i serie med en modstand. Dvs: Rth Uout Uout Uth Et kredsløb = Nul Nul Generatorens spænding kaldes UThevenin og seriemodstanden kaldes RThevenin Af: Valle Thorø Side 62 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Uth er den tomgangsspænding, der kan måles på det oprindelige kredsløbs udgang i ubelastet tilstand, og Rth er modstanden ”målt” bag ind i det oprindelige kredsløb, med spændingsgeneratorerne kortsluttet ! Eksempel: Denne spændingsdeler betragtes:: R1 10 k V1 Uout 12 Vd c R2 10 k Nul Tomgangsspændingen på udgangsklemmerne er 6 Volt. Og hvis udgangen kortsluttes, vil der løbe U 12 en strøm på.. I 1, 2 mA R 10 K Hvis kredsløbet erstattes af en spændingsgenerator med en seriemodstand, skal denne udadtil virke på samme måde. Dvs. hvis der kortsluttes, skal det give samme strøm. Altså skal seriemodstanden U 6 være R 5K I 1, 2m Det er det samme som R1 parallel med R2. Rth Uout Altså haves følgende ækvivalentkredsløb: 5k Uth 6V dc Nul Rth kan også udregnes som modstanden baglæns ind i det oprindelige kredsløb, når spændingsgeneratoren kortsluttes. Udregnet på formel, ser det således ud: Tomgangsspændingen i det oprindelige kredsløb er: U th U Oprindelig R2 R1 R2 Kortsluttes det oprindelige kredsløb, fås en kortslutningsstrøm på: I K Af: Valle Thorø U Oprindelig R1 Side 63 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Efter omformningen skal kortslutningsstrømmen være den samme, altså: I k U th Rth Isoleres Rth, fås: Rth U th Rth Ik U Oprindelig R2 R1 R2 U Oprindelig R1 Altså fås: Rth R1 R2 R1 R2 Dette er det samme som de to oprindelige modstande i parallel! Set baglæns ind i det oprindelige kredsløb med generatoren kortsluttet. Dette betyder altså, at to 10 K modstande til hhv. plus og nul virker på kredsløbet som 5 K hen til halv forsyningsspænding. Se videre i speciel Thevenin – kompendium !! Opamp Oscillator brugt til Pulsbreddemodulering. Op - og afladekurven mellem to spændinger kan bruges til at lave PWM, eller Puls Bredde Modulering. Hvis op- og afladekurven sammenlignes i en komparator med en DC fra et potmeter, kan der tilføres trinløs effekt til en elektrisk pære, så den kan den dæmpes ved blot at dreje på et pot-meter! Er potentiometeret i midten, vil der sammenlignes med halv forsyningsspænding. Op- og afladekurven vil være højere halvdelen af tiden, og udgangen vil så ligeledes være høj, og tænde switchtransistoren halvdelen af tiden. Justeres potmeteret, ændres On-tiden = duty-cyclen, og der tilføres mere / mindre energi til pæren ! Periodetiden / frekvensen for oscillatoren skal nok vælges nøje, idet lyset ellers vil blinke ??. Der skal nok vælges en bedre transistor end en BC337, der max kan lede 500 mA. Fx kan vælges en Mosfet, IRF540, der klarer 19 A. Kredsløbet: Af: Valle Thorø Side 64 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 V CC HalogenPære R4 V CC 1k U2 U1 + V CC OUT Q1 B C3 37 1k 10 k + R8 OUT R7 - OPA MP R5 5k OPA MP R9 1k C1 0 1n R6 10 K 0 0 0 Erstattes pæren af et relæ, der fx tænder en varmeovn, må periodetiden, eller time-basen, gøres meget længere. Fx 10 sekunder. ORCAD Øvelse: Undersøg følgende diagram og sammenhold det med grafen under: R1 12 k 11 2 - Uc Uc OUT V 3 + 1 U3 + Uout OUT Ure f V CC 10 k 10 u - OPA MP V pwm V V R2 C1 V2 Uc V+ V1 4 15 Vd c LM32 4 Umin us V V CC U2A V- + IC= 1 V3 4V dc 15 Vd c 0 R3 0 8k Umin us 0 0 Af: Valle Thorø Side 65 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 20V 0V -20V 300ms V(UC) 400ms V(UOUT) 500ms V(VPWM) V(UREF) 600ms 700ms 800ms 900ms 1000ms Time Prøv at lade Uref, V3 være en VPWL, der sættes til at ændres fra fx minus 4 til plus 6 Volt. Et andet eksempel: Musiksignal V2 V VOFF = 7.5 VAMPL = 3 Her vises et eksempel på en Pulsbreddemoduleret højtaler! FREQ = 400 U2 + 0 PWM_signal OUT Timebasetrekant V - R5 V OPAMP + IC= 12 100k R1 0 10k U1 OUT + OPAMP R2 R4 4.7k 10k V1 C1 10n 15Vdc R3 0 10k 0 0 Og grafen ser således ud!! Indgangssignalet - dvs. musiksignalet - er den røde, og det signal, der føres ud til højtaleren, er den gule. Af: Valle Thorø Side 66 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 15V 10V 5V 0V 0s 1.0ms 2.0ms 3.0ms V(PWM_SIGNAL) V(MUSIKSIGNAL) V(TIMEBASETREKANT) Time 4.0ms 5.0ms 6.0ms Trekant – firkant - oscillator IC= 2 - + Uout1 C1 10u R3 R1 Uout2 U1 V - R2 U2 OUT 10k + 0 1.5k + V OUT 1k - OPAMP OPAMP 0 20V 0V -20V 0s V(UOUT2) 0.2s V(UOUT1) 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s Time Uout 1 er en trekant, og Uout 2 en firkant !! På Operationsforstærkeren U1’s indgang er delta U = 0 volt. Af: Valle Thorø Side 67 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 I ovenstående kredsløb er første opamp, U1, koblet som integrator. Operationsforstærker U1 vil tilføre kondensatoren en konstant strøm. Herved lades kondensatoren retlinet. U1 virker som konstantstrømsgenerator. U2 er koblet som komparator. Den vil hele tiden ompole indgangsspændingen til integratoren ! Konstantstrømsgenerator: Operationsforstærker U1 ovenover virker som konstantstrømsgenerator. Herunder undersøges, når en konstant strøm oplader en kondensator. 10V V I1 1mAdc 0 R4 C2 100u 10000meg 0 5V 0 Det er nødvendigt til at placere en modstand over kondensatoren. Ellers ”svæver” ledningen, iflg. ORCAD. 0V 0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s V(I1:-) Time For at regne på spændingen skal følgende formler kendes! Q U C og C V F Q I t C A s Opgave: Hvis der lades med en konstant strøm på 1,5 mA på en 220 uF kondensator, hvornår er spændingen 100 Volt ?? Opgave: Udregn en formel for ovenstående firkant-trekant oscillator Skal ovenstående virke på single supply, må stel-signalet på U1 og U2 i stedet føres til Ucc/2. Af: Valle Thorø Side 68 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 R1 Prøv at erstatte R1 med viste kobling til højre. Undersøg ! 47 0k R4 D1 10 k Følgende kredsløb er en lidt mere kompleks oscillator med justerbar frekvens, symmetri og offset. C1 Uout_trekant Symmetri Frekvens 3 2 2 12k - 1 R1 1K R5 U1 D1N4148 D3 R4 OUT R2 + 4.7k D4 + 100K 3 1 3 OPAMP Uout_f irkant OUT Plus D1N4148 - R3 OPAMP 2 0 D1 U2 1 D2 Offset Minus D1N4148 D1N4148 15/3-2012 0 Opamp anvendt som Komparator: En komparator er en ”sammenligner”. Det er i princippet blot en almindelig operationsforstærker, der får et signal ind på hvert af sine indgangsben. Forskellen vil så blive ganget op ca. 106 gange. Dvs. udgangen vil gå så langt op, den kan, eller så langt ned, den kan. V CC U1 Uin + OUT R2 - Uout OPA MP 1k 0 På potmeteret kan reference-spændingen, dvs. den spænding, der kompareres med, justeres. Af: Valle Thorø Side 69 af 112 OP-amps 12V 12V 8V 8V 4V 4V 0V 3.0ms 3.5ms 4.0ms V(UOUT) V(UIN) Time Redigeret 01/12-2015 0V 4.5ms 12V 8V 4V 0V 5.0ms V(UOUT) V(UIN) Grafen viser tiden ud af X-aksen, Her er indgangssignalet ud af X-aksen. Her ses, Indgangssignalet er en sinus, Udgangen er at der kompareres om 6 Volt. Hvis firkantet. Det ses, at udgangen ikke er helt lodret! indgangsspændingen er større end 6 Volt, er udgangen høj ! Komparatoren kan også vendes, ( plus og minus – indgangene byttes ) så den bliver inverteret på udgangen. Komparator med hysterese Hvis indgangsspændingen ligger lige omkring referencespændingen, kan det ske, at udgangen vil oscillere, når udgangen skifter. Dette sker fx fordi, der er støj på signalet, eller fordi det, der er koblet på udgangen, fx en transistor, der trækker et relæ, vil sutte så meget strøm fra plus, at der sker forskydninger i spændingerne. Ledningerne er jo ikke modstandsfrie. Relæet vil i ovennævnte tilfælde trække og slippe hurtigt, mange gange, i stedet for blot at koble ind, eller ud.. Dette kan også ske, hvis der er støj på et signal. Dette er vist i følgende opstilling: R2 Rlast V4 12Vdc 2 V5 V3 12Vdc 0 V OUT 3 12Vdc V2 R3 V 200 LM324 - + V+ V1 VOFF = 0 VAMPL = 10m FREQ = 100 U4A 11 0 1k V- V R5 Q1 1 1k V Q2N2222 4 Plus 0 1k VCC 0 Af: Valle Thorø 0 0 Plus Side 70 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 12V 8V 4V 0V 0s V(U4A:-) 0.4s V(R2:2) 0.8s V(U4A:OUT) 1.2s V(U4A:+) Time 1.6s 2.0s Indgangssignalet ændrer sig langsomt mellem 5,8 Volt og 6,2 Volt. Oven på denne spænding, er der placeret en 10 mV sinusgenerator, på 100 Hz, til at simulere støj på indgangssignalet. For at forhindre denne form for oscillation på komparatorens udgangssignal, kan der indbygges hysterese i kredsløbet. At indbygge hysterese, betyder det samme som at indføre Upper Trigger Level, UTL, og Lower Trigger Level, LTL. Dette sker ved at koble udgangen tilbage til indgangen, således at udgangens spænding hjælper lidt til at delta Uin bliver lidt større. Også kaldet medkobling eller positiv feed back. Hvis Uout er lav, og spændingen på indgangen er på vej opad, vil spændingen på + indgangen også stige. På et tidspunkt bliver spændingen på + indgangen, Punkt A, en anelse højere end på minus-indgangen, og udgangen vil gå op. Vha. R4, der er ”stor”, vil udgangen nu bidrage til at spændingen i Punkt A pludselig bliver lidt højere. V CC R4 R3 U1 A Uin 10 0k + 1k Uout OUT R2 Ure f - OPA MP 1k 0 Spændingen i punkt A kan udregnes ved spændingsdeling mellem Uout og Uin. Dvs. at Uin nu skal falde noget mere, før punkt A igen krydser Uref, så udgangen atter bliver lav. Her er vist to grafer fra ORCAD med følgende diagram: Af: Valle Thorø Side 71 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 R3 10 k V CC V CC 4 V2 R2 Uin 3 V+ 12 Vd c + U2A 1k V V OFF = 6 V1 3 2 R1 2 V AMP L = 5 FRE Q = 10 00 0 OUT - LM32 4 1 Uout V- V CC V 11 0 1 0 0 Simuleres ovenstående, bruges potentiometeret, ”Pot” fra biblioteket /Pspice/Breakout. Dobbeltklik på potmeteret for at åbne dets regneark. Modstandsværdien kan helt til højre ændres fra default 1 Kohm, og dens setværdi kan ændres mellem 0 og 1. Default er 0.5 !! 12V 12V 8V 8V 4V 4V 0V 3.0ms 3.5ms 4.0ms V(UOUT) V(UIN) Time 4.5ms 5.0ms På ovenstående graf er det lidt svært at se, hvornår udgangen bevæger sig nedad, og hvornår den bevæger sig opad. Dette bliver lettere på grafen til højre: 0V 0V 4V 8V 12V V(UOUT) V(UIN) Her er der tydelig hysterese. Når indgangen er på vej opad, stiger udgangen, hvis indgangen bliver større end ca 6,5 Volt. Udgangsspændingen falder igen, hvis indgangen bevæger sig under ca 5,5 Volt. For at lave grafen til højre, hysteresesløjfen, skal X-aksen i PROBE ændres. Vælg Plot / Axis settings. X-axen er default valgt. Her vælges Axis variable, og klik så på V(Uin) som den nye X-akse. Inverterende komparator med hysterese Af: Valle Thorø Side 72 af 112 OP-amps Den inverterende komparator med hysterese ser ud som til højre. Redigeret 01/12-2015 U1 Uin Uout OUT Der registreres en lighed med grundkoblingerne, blot er indgangsterminalerne her byttet om !! + R4 OPA MP 10 0k R3 1k 0 20V 20V 0V 0V -20V -5.0V V(UOUT) 0V V(UIN) 5.0V -20V 30ms 35ms 40ms V(UOUT) V(UIN) Time 45ms 50ms Grafisk præsentation af hysterese-kobling. På de næste skitser er vist en grafisk repræsentation af spændingerne i en ikke inverterende komparator. Punkterne A, B og C på diagrammet, er vist på skitsen til højre. Spændingen i diagrammets punkt B er jo en spændingsdeling mellem punkt A og C. På skitsen er størrelsen af modstandene R1 og R2 angivet som afstanden mellem de lodrette streger ved A, B og C. Selve operationsforstærkeren kender jo kun noget til de spændinger, den måler på dens indgange, og den spænding, den sætter på sin udgang. Hvis udgangen er høj, - punkt C er høj, skal spændingen i punkt A længere ned end nul, for at spændingen i punkt B netop krydser nul. Og dette måler operationsforstærkeren som en negativ spænding på B i forhold til dens referencespænding på dens minus-indgang. Og denne negative spænding forstærkes op, med fortegn, og udgangen bliver helt negativ, så meget, som OP-AMP’en kan. Af: Valle Thorø Side 73 af 112 OP-amps A B R1 R2 Redigeret 01/12-2015 C R2 B U5 R1 A Uout+ + Uin C OUT Uout - 0 Ui+ OPAMP 0 Ui- Uout- Grafisk repræsentation af en inverterende komparator. A B R1 C R2 U5 Uin C Uout+ Uout OUT + OPAMP R2 Ui+ B 0 R1 Ui0 A Uout- Tilsvarende i ovenstående inverterende komparator. Her er spændingen i B en spændingsdeling mellem Uout og nul. Er Uout høj, er B lidt over nul, og Uin skal derfor gå højere end nul, lige over spændingen i B, for at udgangen går ned til minus. For at skifte tilbage igen, skal Uin nu ned under nul. Termostat: Af: Valle Thorø Side 74 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 For at se en komparator i praktisk brug, undersøges følgende kredsløb: 2 D1 Relæspole L1 D1N414 8 U=f(temp) R1 1 4.7k U1 V1 + 12 Vd c 3 RNT C 1 4.7k 0 0 P ot 2 R4 Q1 OUT Ure f 1k - Q2N222 2 OPA MP 0 0 Spændingsdeleren R1 og RNTC giver en spænding, der er en funktion af temperaturen. Spændingsdelerformlen er i dette tilfælde: Uout U Påtrykt RNTC R1 RNTC NTC-modstanden har negativ temperaturkoeffetient, dvs. dens modstand falder ved stigende RNTC temperatur. Dvs. at brøken er temperaturafhængig. I matematikken ville den hedde R1 RNTC x 0 . For stigende temperatur vil x gå imod 0. Dvs. brøken går imod 0 kx k 0 Altså vil spændingen falde ved stigende temperaturer. Når spændingen kommer under den indstillede Uref, slår relæet fra. Nu er det imidlertid sådan, at der optræder støj på ledningerne. Powersupply’en dykker en anelse pga. modstanden i ledningerne, når relæet slår til. Men også støj på ledningen til NTC-føleren vil bevirke, at man i skifte-øjeblikket kan opleve oscillation på udgangen af operationsforstærkeren. Resultatet er at relæet vil koble til og fra flere gange, før det endelig kobler til, og tilsvarende når det skal koble ud. Løsningen er at indføre hysterese. Dvs. der skal være et hysterese-bånd omkring referencespændingen Uref. Dette gøres ved at indføre medkobling. Der skal føres lidt retur til indgangen fra udgangen til at øge ændringen af delta Uin. Af: Valle Thorø Side 75 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 2 D1 Relæspole L1 D1N414 8 U=f(temp) R1 R5 U1 R6 V1 + 12 Vd c RNT C P ot 2 OUT 1k Ure f Q2N222 2 - 1 OPA MP 4.7k 0 Q1 R4 1k 3 0 1 10 0k 4.7k 0 0 Opgave: Undersøg kredsløbet, hvis R1 og RNTC bytter plads Se side med hysterese-beregner: Se god side om komparatorer: http://sim.okawa-denshi.jp/en/compkeisan.htm http://home.cogeco.ca/~rpaisley4/Comparators.html Eksempel: V CC R1 Vindueskomparator: 1k U1 Høj når Ugen > Uref1 + 7.20 0V V CC 3 V1 12 Vd c OPAMP !!! Single supply! V2 V OFF = 6 V AMP L = 10 FRE Q = 1k 0 OUT Ure f1 V Undersøg og forklar kredsløbet! R3 2 1 0V V OPA MP Pot U2 6.00 0V + 0V 0 - Ure f2 4.80 0V Høj når Ugen < Uref2 OUT - OPA MP 0V V R2 1k 0 Af: Valle Thorø Side 76 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 20V 10V 0V -10V 0s V(U1:OUT) 0.5ms V(U2:OUT) 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms V(V2:+) Time På grund af den ikke lodrette graf for udgangssignalet, den ”langsomme” Slew Rate, kan man sige, at en operationsforstærker anvendt som komparator er lidt langsom. Skal man bruge en hurtig komparator, må man vælge en komponent, der er specielt bygget til kompareringsformål. Fx kan vælges en LM339. Her må man dog være opmærksom på, at komparatorens udgang er en ” O.C-type”, dvs. Open Collector. I udgangen sidder en transistor, der kun kan synke strøm. Den kan altså i princippet kun trække et signal lav, og må for at blive høj have en pull up-modstand fra udgangen og op til plus. Dette kredsløb er et eksempel på brug af komparatoren LM339. Vha. 2 quad-pakker er der lavet et søjledisplay. Undersøg datablad, Forklar OC. Her et andet eksempel på anvendelse af komparatorer. Bemærk, at OC-udgangen kun kan Synke strøm. Af: Valle Thorø Side 77 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 http://home.cogeco.ca/~rpaisley4/Comparators.html Sun Tracer, SunTracker. Følgende kredsløb er et eksempel på et kredsløb, der er beregnet til at styre en motor, der skal dreje nogle solceller rundt, så de følger solens vandring på himlen. Signalet skal komme fra fx to LDR-modstande, placeret på solcellerne. De skal placeres således, at når de peger direkte mod solen, får lige meget lys. Drejes de ud af retningen ( ved at solen flytter sig ) starter en motor, styret af en i H-Bro. v cc R5 R1 v cc 82k 8.2k U4 Uldr + Utl R4 U1 OUT + 2.2k V1 V2 V OPAMP V V Uout_opad OUT - V OPAMP 12Vdc R2 1200 0 0 U2 - Ltl U3 V + OUT R3 8.2k + 2.2k - Uout_nedad OUT R7 V OPAMP R6 V 82k OPAMP 0 Her ses simuleringen af signalerne. R2 bestemmer hysteresen! 12V 8V 4V 0V 0s V(UOUT_OPAD) Af: Valle Thorø 0.5s V(ULDR) V(UTL) 1.0s V(LTL) V(R5:1) 1.5s V(UOUT_NEDAD) Time 2.0s V(R6:1) 2.5s 3.0s Side 78 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Samlet oversigt over komparatorer med hysterese: Ikke Inverterende komparator med hysterese Inverterende komparator med hysterese R1 R2 U1 VCC U2 VCC 470k - 1k VCC OUT + OUT - + VCC R3 470k OPAMP OPAMP 0 R4 1k 0 Her følger flere applikations: Meter Amplifier Ofte ønsker man at vise et DC-signal på et meter. Fx et 0 til 10 Volt meter kan direkte sluttes til udgangen af en operationsforstærker. Men de fleste metre er imidlertid amperemetre. Dvs. at de har fuldt udslag for fx 100 A. Et kredsløb til at konvertere en spænding til strøm kan se ud som følgende: 3V Uin Am-Meter U1 + OUT Delta Uin = 0 - OPA MP 3V R1 10 0k 0 Sættes fx 3 Volt på Uin, vil OP-Ampen sætte en sådan spænding på sin Uout, at Delta Uin er = 0. 3 Dvs. at der ligger 3 Volt over R1. Gennem R1 går altså 30 A . Denne strøm kan kun 100 K komme fra Opampens udgang, og gå gennem Meteret. Viseren vil gå ca. en tredjedel op. Skalaen kan så indrettes med relevante tal. Tendens: Af: Valle Thorø Side 79 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 U1 Uin1 OPAMP + OUT R1 Uout - 0 0 C1 0 Spændingen mellem R1 og C1 lades – afhængig af tidskonstanten – op mod den påtrykte spænding, Uin1. Men det tager lidt tid. Dvs. at spændingen på minus-indgangen halter lidt efter Uin, og dermed plus-indgangen. Er Uin så på vej opad, vil plusindgangen være højere end minusindgangen, og Uout vil være høj. Modsat ved spændingsfald. Ovenstående kredsløb har bare et lille problem. Hvis Uin ikke ændrer sig, vil der være samme spænding på operationsforstærkerens ben. Så Uout burde være = 0. Men selv en lille støjspænding, vil på Uout til at oscillere. Ucc R1 100k C2 U1 OPAMP Uin 10n 1k OUT R2 Dette kan afhjælpes med dette kredsløb: Uout + R3 C1 100n 100k 0 0 Ideel ensretter: En ideel ensretter kan ikke bruges til at ensrette power-signaler, der skal overføre energi. Enkelt ensretter: U1 Uin + D1 OUT - Uout Uout OPA MP 0 Udgangssignalet vil følge indgangssignalet, men kun i positive halvperioder. En ideel dobbelt ensretter kunne se ud som flg.: Af: Valle Thorø Side 80 af 112 OP-amps R2 R3 1k Uin R4 1k 1k U1 R1 Redigeret 01/12-2015 D1 - U2 D1N414 8 1k OUT OUT V1 V V OFF = 0 V AMP L = 3 FRE Q = 10 00 + D2 OPA MP V + D1N414 8 OPA MP 0 R5 0 Uout 1k Grafen for kredsløbet ser således ud!! 4.0V 0V -4.0V 0s V(UIN) 0.5ms V(UOUT) 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms Time Af: Valle Thorø Side 81 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 U3 Eller kredsløbet kunne bygges således: + D1N414 8 OUT D3 - OPA MP V Uin R7 1k U4 R6 Uout - D4 1k V OUT D1N414 8 + R8 1k OPA MP 0 0 Og endnu et eksempel: Peack-detektor: Opamp-en vil i positive halvperioder fylde kondensatoren med ladning. Ladningen kan ikke forsvinde retur i op-amp’en igen pga. dioden, og den store Ri i indgangen. U1 Uin + D1 Uout OUT - 1u F Uout C1 OPA MP Dvs. at den beholder den største ladning, den har fået i en periode, bestemt af aflademodstanden R5. R5 1M 0 0 0 Er R5 der ikke, vil spændingen Uout blive ved med at være lig den højeste Uin. Orcad simulering af Peak-detektor. Af: Valle Thorø Side 82 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Vplus + V 12Vdc D5 2 V1 Uout 1 OUT D1N4148 - V- V3 V 3 Uout_opamp 8 U4A Uin V+ Vplus V R1 10u VPWL 0 V C1 4 LM358 1meg 0 0 0 0 12V 8V 4V 0V -4V 0s V(Vplus) 1.0s V(UIN) 2.0s V(U4A:OUT) Dette kredsløb har højere indgangsimpedans på transistoren og aflader derfor ikke C1 så hurtigt. 3.0s V(UOUT) Time 4.0s 5.0s Ucc U1 Uin 6.0s + Q1 OUT - D1 C1 Uout OPA MP R1 0 -Us s Opløbsintegrator: Af: Valle Thorø Side 83 af 112 OP-amps En opløbsintegrator anvendes i situationer, hvor udgangsspændingen kun må ændres med en bestemt hastighed. Fx styrespændingen til at styre olie-flowet til cylindrene i en sky-lift. Redigeret 01/12-2015 R2 R3 Uin C1 10k U2 + U1 R1 10k OUT 4,7uF 10k - OUT OPAMP Uout + OPAMP 0 0 Integrator I kredsløbet ovenover, er U1 koblet som / virker som Integrator. Dvs. den integrerer spændingen på venstre side af R1. Her ses på en integrator ved DC, ( jævnspænding )!! Udgangsspændingen må være et udtryk for arealet under en graf!! Grafen er den, der udtrykker spændingen på venstre side af R1. Formlen er: 1 U Out (t ) U In (t ) dt R C 0 t Hvis der er en spænding på Uin, vil der gå en konstant strøm hen imod den inverterende indgang, der jo er nul Volt, = Virtuel stel !! Denne strøm er nødt til at gå op til C1, hvor ladningerne sætter sig. Fra kondensatorens anden side løber lige mange ladninger væk imod Uout. Dvs. kondensatoren bliver ladet op, med nul Volt på venstre plade, og mere og mere negativ retlinet på højre side ( efter den vedtagne konvention ! ) . Bliver Uin nu igen nul Volt efter fx 3 sekunder, løber der ikke nogen strøm længere, og derfor sker der ingen op eller afladning af kondensatoren. Udgangsspændingen er nu afhængig af indgangsspændingens størrelse og varighed ( Med et minus foran ! ) Altså er arealet under grafen, der beskriver Uin nu udtrykt ved Uout. C1 U1 R1 Uin OUT Uout + OPA MP R2 R2 = R1 0 Formler der gælder for kondensatorer ved konstant strøm: Q I t C A s Af: Valle Thorø og Q U C C C V F Side 84 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Differentiator U Out R C d (U IN ) dt Kun ændringer kommer igennem kondensatoren. Dvs. pludselige ændringer ”går lige igennem”, og påvirker spændingen på den inverterende indgang. Op-amp’en vil hurtigt reagere herpå ved at sætte en sådan spænding på sin udgang, at den inverterende indgang forbliver 0. Udgangen er således et udtryk for d(UIN). R1 U1 C1 Uin Ændres indgangsspændingen langsomt opad, skal der fjernes ladninger på den anden side af kondensatoren for at spændingen her fortsat er nul. Den strøm skal gå op gennem R1. Dvs. Uout skal være negativ. Jo større ændring på Uin, jo større strøm gennem R1, og jo større negativ spænding på Uout. Uout OUT + OPA MP R2 R2 = R1 0 Parallelforbindelse af en kondensator og modstand set vektorielt. Tegnes vektorer for en parallelforbindelse findes diagrammet til højre. Summa I Ic U er fælles, og afsættes mod højre. IR er i fase med U, afsættes mod højre. IC er 90 grader foran UC, derfor opad. I r ΣI ved den frekvens, hvor IC og IR er lige store, er steget til IR IR = COS (45) 0, 707 For parallelforbindelsen fås: RParallel Af: Valle Thorø U er fælles U I U U 0, 707 IR IR 0, 707 Side 85 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Det ses altså, at parallelforbindelsen er faldet til 0,707 gange modstandens værdi ved den frekvens, hvor størrelsen af XC R . Parallelforbindelse udregnet med kompleks regning: I det følgende gennemgås udregning af parallelforbindelse med kompleks regning. I en parallelforbindelse haves, at R1 R2 R R R 1 2 R ( jX C ) R jX C Altså – hvis den ene er en kondensator: Dette bliver: jX C R R jX C Det er ikke smart at have et komplekst tal i nævneren, derfor ganges i tæller og nævner med den komplekst konjugerede.: jX C R ( R jX C ) ( R jXC ) ( R jX C ) jX C R ( R jX C ) R2 X C 2 I kompleks regning er det sådan, at j * j er lig –1 !! Derfor fås: X C 2 R jX C R 2 R2 X C 2 Dette reduceres til X C R( X C jR) R2 X C 2 Der undersøges nu for den frekvens, der gør Xc til samme værdi som R, altså den frekvens, hvor modstanden i kondensatoren er faldet til samme værdi som R. Dvs.: XC R Dette indsættes i ligningen ovenfor: Og der fås: R2 R jR R2 R2 R 45grader R tg 1 1 R2 R2 2 Af: Valle Thorø Side 86 af 112 OP-amps 1 2 Redigeret 01/12-2015 2 R2 2 R 0, 707 R 2 Altså, i en parallelforbindelse af en modstand og en kondensator findes ved den frekvens, hvor Xc = R at samlede parallel-modstand er faldet til 0,707 gange oprindelig modstand. Udregningen verificeres vha. simulering med ORCAD: Ugen 100K R1 V1 1Vac 0Vdc 100k C1 4.7n 50K 0 Til højre ses grafen for parallelmodstanden. Grafen er tegnet som V(Ugen)/I(V1) 0 1.0Hz 100Hz 10KHz V(UGEN) / I(V1) Frequency 1.0MHz Undersøges R, Xc og R//Xc hver for sig, fås følgende grafer: 200K (338.114,70.764K) 100K 20K 109Hz V(UGEN) / I(V1) 300Hz V(UGEN) / I(R1) Frequency 500Hz 700Hz V(UGEN) / I(C1) Den blå graf er Xc, Den brune er R, der jo ikke ændrer sig over frekvensen. Og den grønne er R1//C1. Det ses, at ved den frekvens, hvor Xc og R skærer hinanden, dvs. er ens, er parallelforbindelsens værdi 70,7 kOhm. Af: Valle Thorø Side 87 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Nu følger nogle kredsløbseksempler med frekvensafhængig respons. Filter: Et filter er et kredsløb, der er specialtilpasset til at dæmpe eller forstærke udvalgte frekvenser. Eksempel på et 2.ordens filter. Der er to frekvensafhængige komponenter, dvs. to kondensatorer i filteret. 10 n C1 R1 R2 33 K 33 K U1 Uin + OPA MP OUT Gnd C2 Gnd 4.7n 0 Uout 0 0 Og et 3. ordens filter. Med 3 kondensatorer. C2 R4 R1 R2 U1 R3 Uin + OUT Uout C1 C3 R5 Gnd Gnd 0 Se side med filterkalculation: http://sim.okawa-denshi.jp/en/Fkeisan.htm Diskant og Bas-kontrol Eksempel på en tonekontrol. Der er justeringsmulighed for øverst de lave frekvenser, - Bas – og nederst for diskanten. Af: Valle Thorø Side 88 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Bas C4 47 n R5 R6 R1 4.7k 3 Pot 39 k Uin 4.7k 100 K 2 R2 V DB 1 U1 C1 - Uin V1 1u F 1V ac 0V dc OPA MP OUT R3 Gnd 0 Uout Uout + Gnd 5.6k 0 0 C2 0 2 Pot C3 3 1 2.2n R7 100 K 2.2n Diskant Mixer: En mixer er et kredsløb, der kan samle signaler fra flere kilder, dvs. flere indgange, og sende dem samlet ud på udgangen. Ved hjælp af potentiometre kan større eller mindre del af indgangssignalerne blandes ind i udgangs-signalet. C1 Uin 1 22 0n R1 R4 47 k 22 0k 0 U1 + C2 Uout OUT Uin 2 22 0n R2 OPA MP R7 R5 10 k 47 k 22 0k Gnd 0 C3 Uin 3 R8 22 0n R3 Gnd 0 47 k 22 0k 0 0 Af: Valle Thorø 4,7k R6 0 Side 89 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Evt. kan operationsforstærkeren kobles som inverterende forstærker, med fx en 220 kOhm modstand som feed back modstand. Et andet eksempel: Her er der én stereo-indgang, og én monoindgang. R9 Le ft in Balance 2.7K R13 Volume R14 R19 R25 4.7K 10 k Rig ht i n R10 0 10 0k 10 0k U2 R20 0 2.7K 10 0k OUT R21 + R15 10 k 10 0k Volume Uout Left OPA MP 0 0 R26 R11 Balance 2.7K Mono i n R22 Volume 10 0k R16 4.7K 10 0k U3 - R17 10 k R23 OUT 10 0k R12 0 Uout Ri gh t + 0 R24 2.7K R18 10 k 10 0k OPA MP 0 Volume 0 Af: Valle Thorø Side 90 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 R13 4 x 10K Pot, lin 10K 1 2 1 R1 2 3 R9 4K7 1 R2 2 3 R10 4k7 U1 1 R3 2 3 R11 4k7 R4 + 3 TL072 OPAMP R14 R12 4k7 U2 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 TL072 10k - 2 Uout Venstre kanal OUT Uout Højre kanal OUT + 1 OPAMP R5 C1 4.7u Uin1 R6 0 C2 4.7u Uin2 R7 0 C3 R8 0 4.7u Uin3 0 C4 4 x 10K Pot, log 4.7u Uin4 Her er vist et par delefiltre til højtalere: C1 R1 4.7uF 2.2 LS1 V+ To-vejs højtalersystem: R2 10 SPEAKER L1 1 2 330uH R3 LS2 6.8 C2 SPEAKER V10uF Delefilter_110111 Af: Valle Thorø Side 91 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 3-vejs. Alle modstande er 5 Watt C3 LS3 22uF R4 SPEAKER C4 8.2u 2 2.7 ohm, 5W LS4 L2 R5 330uH 12 ohm, 5W SPEAKER 1 L3 1 V+ 2 680uH LS5 R6 5.6 ohm, 5W 15uF C5 V- SPEAKER Delefilter_110111 http://www.mediacollege.com/audio/01/sound-waves.html Signalmanipulation: Undersøg dette kredsløb. Uin 3 Vend dioden D1, og gentag. R2 2 3 R1 2 U2 + OUT 1 U1 + D1 - Uout OPAMP OUT 1 D1N4148 - OPAMP Tegn graf for Uout = f(Uin). Af: Valle Thorø Side 92 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Instrumentforstærker: / Instrumentation Amplifier Differensforstærkeren, beskrevet tidligere, bruges til at forstærke små spændingsforskelle, fx fra en opstilling med Strain Gauges. Strain is the geometrical measure of deformation representing the relative displacement between particles in the material body, i.e. a measure of how much a given displacement differs locally from a rigid-body displacement. Kilde: http://en.wikipedia.org/wiki/Strain_(materials_science) En Strain Gauge er en lille tynd plast-plade med en modstandsbane, der løber frem og tilbage. Hvis man strækker Strain Gaugen lidt, bliver banerne trukket, og dermed lidt tyndere. Herved bliver dens samlede modstand lidt større. Billedet viser to Strain Gauges limet på en arm, der belastes af en kraft. Det kunne fx være en silo, der skal vejes. Kilde: http://www.sensorland.com/HowPage002.html Søg på: Load Cells, eller Vejeceller. En Strain gauge sættes op i en Wheatstone Bridge. Det er utroligt lidt, modstanden ændrer sig i strain gaugen. Derfor er det en meget lille spændingsændring, der opstår som følge af modstandsforøgelsen ved strækning af gaugen. Derfor kræves en utrolig stor forstærkning. Af: Valle Thorø Side 93 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Her ses igen på en differensforstærker: Kredsløbet skal have split Supply ! R1 Hvis R1 = R4 og R2 = R3 bliver udgangsspændingen R1 Uout Uin2 Uin1 R2 R2 Uin1 U1 OUT R3 Uin2 Uout + Forskellen mellem Uin1 og Uin2 forstærkes et antal gange, bestemt af R1 / R2. OPAMP R4 0 Imidlertid er der en ret lav indgangsmodstand i kredsløbet. Den er lig R2 idet operationsforstærkerens indgange kan opfattes som virtuel stel. Dette kan afhjælpes ved at sætte en forstærker foran hver indgang: U2 Uin1 R1 + OUT - R2 U1 - OPAMP OUT R3 U3 Uin2 Uout + + OPAMP R4 OUT Split Supply ! - OPAMP 0 Herved opnås en meget højere indgangsmodstand. Benyttes følgende kobling, kan man ( for ) forstærke signalet, samtidig med stor indgangs-modstand. Med justering af 1 modstand, R7, kan begge indganges forstærkning varieres ens. U2 Uin1 + OUT - R1 OPAMP R5 R2 U1 - R5 = R6. R7 OUT R3 R6 Forforstærkerne er almindelige non inverting koblinger, hvis man forestiller sig, at der er virtuel stel midt i R7. OPAMP R4 U3 Uin2 Uout + OUT + 0 OPAMP 2 R5 R1 Den samlede forstærkning bliver : Uout Uin2 Uin1 1 R7 R 2 Af: Valle Thorø Side 94 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Gøres R1 eller R4 variabel, kan Uout justeres til = 0 Volt, når indgangsspændingerne er ens. Operationsforstærkere er jo ikke ideelle !! Fx flg. kan erstatte R1 eller R4: 9/10 2/10 For at dæmpe HF-støj, kan der placeres kondensatorer over R5 og R6. Instrumentation Amplifiers kan også købes som færdige IC’er. Fx LM363, LM321 Eksempel: Kilde: http://www.national.com/images/pf/LMP2021/30014972.pdf Af: Valle Thorø Side 95 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Eksempel på et ECG-signalkonditioneringskredsløb. Single supply LMP2021 Venstre Arm Kilde: AE 12/3-2010 U1 + R8 2.2Meg R5 R6 OUT 10k - OPAMP 10k U3 R1 47k Uout OUT R2 Vp + 22k OPAMP 2.2Meg R9 U2 R3 - 47k R4 R7 Vp OUT Højre Arm 10k + 10k OPAMP v cc U4 R10 + 22k OUT - Højre ben OPAMP R11 22k 0 Se endvidere http://www.epn-online.com/page/new57839/signal-conditioning-in-portable-medical.html http://freecircuitdiagram.com/2010/03/18/ecg-signal-conditioner/ Søg ECG signal conditioning. Af: Valle Thorø Side 96 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Fejl i operationsforstærkere. Rigtige operationsforstærkere er selvfølgelig ikke ideelle. I starten er det OK at opfatte dem som sådan, men i reelle opstillinger bør man kende til evt. fejl forårsaget af ikke-ideelle forhold i kredsen. Der er en række parametre, der her forklares: Parameter: Input Current, Input bias current Input offset current Ios Forklaring: Strømmen I inputterminalerne er ikke 0. Afhængig af opbygningen af op-amp’en vil der altid gå en lille strøm enten ind eller ud. Denne strøm kaldes Input Bias Current. Den er basis-strømmen eller Gate-strømmen til input-transistorerne. Størrelser fra få n[A] for BJT = alm. bipolare opamp’s til p[A] for FET-inputs. Her forstås forskellen mellem input bias strømmene. Ios. Typiske værdier for offset strøm er ½ til 1/10 af bias strømmen. For at begrænse forskelle i Ios monteres normalt en modstand i serie som vist herunder, således at operationsforstærkeren ”ser” ud i samme modstand på begge input. R1 R3 = R1 // R2 U1 R2 U1 + V1 Ui OUT V1 OPAMP OUT Uout - Uout R1 + OPAMP R3 0 R2 = R1 // R2 0 Input impedance 0 0 Ved input modstand forstås den modstand, der forekommer ind i en indgang, når den anden er kortsluttet til stel. For BJT – input Opamps er den ca. 2 Mohm, og for FET fx 1012 ohm. Common-mode input range Input voltage range Af: Valle Thorø Inputspændinger må ikke overskride supply spændingerne. For nogle typer må inputspændingen ikke komme nærmere forsyningen end et par volt. Nyere har inputspændinger fra ”Rail to Rail.” For en opamp der arbejder med ±15 Volt, kan den garanterede Uinput være fx ±11 Volt. Bringes Uin udenfor tilladt område, kan udgangen opføre sig helt forkert, fx gå i modsat retning. Måske vil der ske ødelæggelse !! Side 97 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 LM358 kan “sense near ground. “ Dvs. den kan måle spændinger tæt på 0 selv ved single supply. Differential input range Nogle bipolare op-amps tillader kun en begrænset spænding mellem inputtene. Nogle så lille en spænding som ± 0,5 Volt. Dette kan forhindres med 2 dioder i antiparallel kobling direkte mellem indgangsterminalerne. Output impedance, Den modstand, der ses ind i bag ind i udgangen (ved signalets midtpunkt ), uden feed back. Måles i Ohm. Fx 40 ohm, men for nogle lowpower op-amps kan den være så høj som flere kohm. Modkobling kan reducere Rout. Typisk kan en op-amp levere / synke fx 20 mA. Trækkes for meget strøm, kan Uout swing ikke blive så stor. Nogle opamps kan levere ret stor strøm, Kaldes ”power-opamps”. Max Iout Output swing, Uout kan normalt ikke svinge helt ud til forsyningsspændingerne. Men LM358 kan svinge tæt ned på negativ forsyning, hvilket er smart ved single supply. Voltage gain og phase shift. Typiske værdier for en operationsforstærkers råforstærkning kan være 106 gange ved DC. Ofte angivet i dB. ( fasedrejning ) Men ved stigende frekvenser falder værdien til at være unity gain ( = 1 ) ved en frekvens på 1 til 10 MHz. Denne frekvens kaldes fT. Er kredsen internt kompenseret, dvs. forsynet med en dominerende kapacitet på chippen, er hældningen ( Bode-plottet ) - 20 dB / dekade, startende fx fra 10 Hz. Båndbredden = 10 Hz. Men som følge af kapaciteten vil der også være en fasedrejning på udgangen. Allerede 45 grader i knækket ved 10 Hz. Derfor udnyttes sjældent hele den medfødte forstærkning. Og båndbredden bliver herved også større. Nogle opamps skal have monteret en extern kondensator for at fungere. !! Input offset voltage Uos Op-amps har ikke perfekt balancerede inputtrin. Forbindes de to indgange begge til 0, vil der altid være en – lille – spænding på Uout. Den forskel, der er nødvendig på en af indgangene for at bringe udgangen på 0 Volt, kaldes Uos. Værdier på fx 0,8 mV. Med fx følgende kredsløb kan offset justeres bort. Med justering af potentiometeret kan der trækkes lidt skævt i opstillingen. Nogle op-amps har terminaler, hvor der direkte kan tilsluttes et potentiometer, til bortjustering af Uoffset. Fx den ”ældgamle” 741. Af: Valle Thorø Side 98 af 112 OP-amps VCC Redigeret 01/12-2015 Plus R1 Minus R1 U1 R2 Uin U1 R2 R5 OUT R4 Uin Uout Ui OUT + Stor OPAMP Uout + R3 OPAMP R3 Minus 0 0 Offset drift: Slew rate Offset spændingen er heller ikke konstant ved forskellige temperaturer. Driften angives i μV / ºC. Fx værdier på få μV / ºC. Den maksimale hastighed, en operationsforstærkers udgangen kan ændre sin udgangsspænding, er begrænset. Max spændingsændring pr tidsenhed måles i V / μs. SR Det er pga. kapaciteter inde på chippen, at hastigheden ikke er uendelig. Skulle en – selv nok så lille kondensator – lades på uendelig kort tid, ville det kræve en uendelig stor strøm. Altså er udgangsspændings-ændrings-hastigheden endelig. Eks. Her udregnes er den maksimale spændingsændringen for en 1 MHz sinusspænding på 3 Volt RMS Matematisk repræsenteres en sinus spænding af flg. ligning: U U Max sin t ( 2 f ) er vinkelfrekvensen i radianer pr sek. For at finde hældningen på sinussen, må der differentieres. dU U Max cos t dt Max værdi af Cosinus-funktionen er 1, altså fås dU dt U Max Max Det huskes, at = 2f, og at peack-værdien for en sinusspænding er 2 gange RMS-værdien. Altså fås dU dt 2 106 2 3 26,66V Max mS Altså er sinusspændingens max ændring = 26,66 Volt pr mS. For en Operationsforstærker er formlen Af: Valle Thorø Side 99 af 112 OP-amps SR d U out dt = U out Redigeret 01/12-2015 peak cos t Hældningen er max ved t=0. t=0 indsættes, og cos(0) er = 1. Der fås: SR U out peak Uout f max peak 2 f SR 2 U out peak SR-Værdier for en LM358 ~ ca 4 [V / μS], mens andre er betydelig hurtigere. Fx 6000 [V / μS]. Slewrate begrænser amplituden af et rent sinus-signal på output. Hvis hældningen på sinus-signalet i nulgennemgangen bliver større end SR, vil signalet forvrænges. Følgende viser princippet. To Unity-gain ( 1 gangs ) forstærkere påtrykkes et 20 Vpp signal med stigende frekvens, og udgangen iagttages: TLE2021 kan håndtere et 20 Vpp signal ved 14 Khz uden distortion. LT1013 starter at slewrate-begrænse Uout allerede ved 6 KHz. Hvis frekvensen bliver så høj, at dU/dt bliver for stor, bliver Uout en ret linje, der svinger op og ned, altså en trekant. Af: Valle Thorø Side 100 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Open loop response for en LM358. Slewrate er typisk 0,3 Volt / uSec. Her ses et eksempel på, at der er valgt en lavere forstærkning, hvorfor opampen kan følge med op i højere frekvenser Af: Valle Thorø Side 101 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Temperatur afhængighed Alle parametre har en eller anden afhængighed af temperaturen. Open loop voltage gain Råforstærkningen er ikke uendelig. Realistiske værdier fra 106 til 107 ?. ( Mangler graf for open loop gain, side 193. ) Output current Unity gain Bandwidth ~ 3 dB båndbredde. Gain Bandwidth produkt. Af: Valle Thorø Den frekvens, hvor et signal -ved 1 ganges forstærkning – kobling, er faldet 3 dB på udgangen, altså til 0,707 gange inputsignalet. Bodeplot mangler! Båndbredde gange gain i dB er konstant. = ca unity gain Side 102 af 112 OP-amps CMRR Redigeret 01/12-2015 Common Mode Rejection Ratio. Måles I gange. Måles i dB ! CMRR er et mål for, hvor god op-ampen er til at undertrykke en ændring på udgangen med to ens signaler på de to indgange. Dette optræder fx ved lange ledninger til en signalkilde, hvor indstrålet støj påvirker begge indgange. R1 U1 R2 Ui Usignal OUT R4 Uout + 1k OPAMP R3 Fx 50 Hz Uindstrålet 0 0 CMRR er et udtryk for forholdet mellem ændringer på begge indgange og udgangens ændring. CMRR Ad Altså forstærkningen af differens-signalet Ad i forhold til Acm forstærkningen af det signal, der kommer ind på begge (= Fælles = Common ) Eks: Et CMRR på 10.000 svarer til et CMR på 80 dB. PSRR Af: Valle Thorø Power supply rejection ratio. Udtrykker op-ampens afhængighed af ændringer i forsyningsspændingen. = Power supply sensitivity. Side 103 af 112 Af: Valle Thorø OP-amps Redigeret 01/12-2015 Side 104 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Modkoblingsteori: Ved hjælp af modkobling nedbringes kredsløbets forstærkning, så det kun er afhængig af ydre modstande. Betragtes følgende grundkobling: R1 U1 R2 Uin OUT Delta Ui Uout + 0 Normalt opfattes spændingen delta Ui at være 0. Men dette kan jo ikke lade sig gøre. Den medfødte forstærkning, Aol, A open loop, gange 0 er nul. Aol 0 0 Så vil der jo ikke komme noget ud på udgangen !! I det følgende betragtes kredsløbet nærmere. I reguleringssløjfer bruges kasser og summationspunkter som følgende: beta + Uin Ug alfa Ui - + OUT Uout + 0 Kassen alfa udtrykker signalets dæmpning fremad. Kassen beta er dæmpningen retur, = modkoblingsfaktor. Betyder, at kun en brøkdel af udgangssignalet kobles retur. Spændingen på den inverterende indgang, Ui, er en summation af de to tilførte signaler til summationspunktet. Cirklen udtrykker et summationspunkt. Her adderes signalerne med fortegn. Uout er jo negativ. Der findes: U g Uin Af: Valle Thorø (1) Side 105 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Ui U g U out (2) Ui Uin Uout (3) U out Ui Aol (4) Indsættes ligning (1) i (2) fås: Det må også gælde, at ( Uout er jo negativ ) Indsættes (3) i (4) fås: U out Uin U out Aol Aol ganges ind: Uout Aol Uin U out Aol (6) Der ordnes: Uout Uout Aol Aol Uin (7) U out 1 Aol Aol Uin (8) (5) Og endelig fås: A' U out Aol U in 1 Aol ( A’ for inverterende kobling ) (9) Aol = Open Loop gain, = medfødt forstærkning, eller rå-forstærkning. Aol · β kaldes Loopgain, eller sløjfeforstærkningen. 1+Aol · β kaldes modkoblingsgraden M. Laves samme udredning for en ikke inverterende kobling, findes samme ligning for A’ , blot uden minus-tegnet. A' U out Aol U in 1 Aol ( A’ for ikke inverterende kobling ) (10) Der undersøges nu for et udtryk for alfa og beta i inverterende hhv. ikke inverterende kobling. α udtrykker størrelsen af det signal, der kommer frem til operationsforstærkerens indgang, når Uout = 0. Ui U in når det gælder, at Uout = 0 α for ikke inverterende: Følgende hjælpe-diagram viser situationen: Af: Valle Thorø Side 106 af 112 OP-amps Uin Ui Redigeret 01/12-2015 + OUT R1 - R2 0 0 Idet Ri er meget stor, kommer hele signalet fra Uin hen til Ui. Det indses, at α non inv er = 1. noninv 1 For inv. kobling findes alfa som spændingsdelingen mellem R2 og R1 R1 R2 Uin OUT + 0 Inv 0 R1 R1 R2 β bestemmer hvilken brøkdel af udgangssignalet, der sendes tilbage til operationsforstærkerens indgang. Ui når det gælder, at Uin = 0 U out For non inv findes: Ui + OUT - Uin = 0 Uout R1 R2 0 Af: Valle Thorø 0 Side 107 af 112 OP-amps R1 og R2 udgør en spændingsdeler, derfor: noninv Redigeret 01/12-2015 R2 R1 R2 For inv. kobling findes: R1 R2 OUT Uout + 0 inv 0 R2 R1 R 2 Disse funktioner for alfa og beta indsættes nu i ligning (9) og (10) for hhv. inv. og non inv. U out Aol U in 1 Aol Først Non Inv:: A' Indsættes nu non inv 1, non inv A' Fås den korrekte overføringsfunktion: ( = 10) R2 R1 R2 Aol 1 R2 1 Aol R1 R 2 (11) (12) Den medfødte forstærkning, Aol, er meget stor, ( tilstræbes uendelig stor ! ) Hvis Aol 1 fås A' Aol R1 R 2 R2 R2 Aol R1 R 2 (13) Altså den ligning for overføringsfunktionen vi kender. Men der kræves, at Aol er stor ! For inverterende kobling findes Alfa og beta indsættes i (9): inv R1 R2 , non inv R1 R2 R1 R2 A' Af: Valle Thorø U out Aol U in 1 Aol (14) (= 9) Side 108 af 112 OP-amps Hvis Aol 1 fås A' Redigeret 01/12-2015 (15) R1 R1 A ' R1 R 2 R2 R2 R1 R 2 (16) Også her fås den kendte overføringsfunktion, med den antagelse, at Aol er meget stor. Betydningen for at Aol · β er stor kan ses af følgende beregninger: Der undersøges for inverterende kobling. Med følgende diagram: R1 100k R2 Uin 1k OUT Uout + 0 Ligning (9) Inv R1 100 = R1 R2 101 inv R2 1 = R1 R 2 101 U Aol A out U in 1 Aol ' 100 101 Aol 100 => A ' 1 101 Aol 1 Aol 101 Aol (17) Ideel set skulle forstærkningen være -100 gange. I følgende skema er open loop forstærkningen indsat med forskellige værdier. Aol 10 100 1000 10.000 100.000 106 ∞ Af: Valle Thorø A’ 9,009 49,75 90,8 99,0 99,899 99,989 100 Side 109 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 Det er altså vigtigt, at den medfødte forstærkning A Open Loop, Aol er stor !! Modkoblingsformer: Der er forskellige former for modkobling. Strøm-modkobling og Spændingsmodkobling, og modkoblingen kan føres tilbage i ”serie” eller ”parallel”. Ved modkobling sendes en del af udgangssignalet tilbage til indgangen – og ” formindsker ” det tilsluttede signal. Herved påvirkes Ri, Ro ( eller Zi, og Zo ) og frekvensgangen. Og man betaler med ”forstærkning”, der nedsættes. Spændingsmodkobling: U1 Uin + OPAMP OUT - Zo ' R1 R-load Zo 1 Aol Udgangsmodstanden falder ved spændingsmodkobling Rm 0 0 Modkoblingssignalet siger noget om spændingen over belastningen, men ikke noget om den strøm, der løber gennem belastningen. Prøve: kortsluttes R-load, er Umodkobling = 0 !! Udgangsmodstanden falder ved spændingsmodkobling. Dette indses, idet hvis R-load falder, bruger den mere strøm, og Uout vil falde. Dette giver en mindre feedback, som får Uout til at stige. Strøm-modkobling: U1 Uin + OPAMP OUT - R-load Zo ' Zo 1 Aol Rm Udgangsmodstanden stiger ved strømmodkobling. 0 Af: Valle Thorø Side 110 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 I ovenstående det, der sendes tilbage et udtryk for strømmen i R-load. Rm er fx en lille modstand, og spændingen over den er proportional med strømmen i belastningen. Ændres R-load, vil strømmen stadig være den samme, I = k ! Udgangsmodstanden stiger ved strøm-modkobling. Serie-modkobling Nu betragtes den måde, modkoblingssignalet påvirker indgangene. U1 Uin OPAMP + Rin OUT V1 - Zi ' Zi 1 Aol R1 R-load Indgangsmodstanden stiger ved seriemodkobling. Rm 0 0 0 Et stigende signal påtrykkes den ikke inverterende indgang. Udgangssignalet stiger, og det samme gør det tilbageførte signal. Det tilbageførte signal påvirker Rin i serie. Det tilbageførte signal vil modvirke spændings-forøgelsen over den tænkte modstand mellem de to indgangsterminaler. Det vil altså fra generatoren føles som om, strømmen ind i indgangen bliver blokeret. Ved modkobling stiger Ri. Parallel modkobling: R1 R2 U1 Zi ' U Ui OUT V1 + OPAMP 0 0 U Zi 1 Aol Uout Indgangsmodstanden falder ved parallelmodkobling. Her er det modkoblede signal ført tilbage i modfase. Og på samme sted, ~ parallelt ! Stiger indgangssignalet, falder udgangssignalet, og det tilbageførte vil modvirke en ændring ved Ui. Zi vil opleves fra generatoren som lavere ! Af: Valle Thorø Side 111 af 112 OP-amps Redigeret 01/12-2015 / Valle Af: Valle Thorø Side 112 af 112